为什么要使用操作系统

为什么要使用操作系统

从51单片机开始使用简单的逻辑系统，慢慢的开始接触ucos、FreeRTOS这类小型的操作系统，到现在开始接触Linux这种大型的开源操作系统，是否有想过为什么要使用操作系统呢？以前简单的逻辑关系不是挺好的，为什么要搞定越来越复杂了。

引入例子

在博客上看到一个例子觉得很好，一步一步引导我们进行思考为什么药使用操作系统。

一般的简单的嵌入式设备的编程思路是下面这样的：

main
{
    {处理事务1}；
    {处理事务2}；
    {处理事务3}；
        .......
    {处理事务N}；
}

isr_server
{
    {处理中断}；
}

这是最一般的思路，对于简单的系统当然是够用了，但这样的系统实时性是很差的，比如“事务1”如果是一个用户输入的检测，当用户输入时，如果程序正在处理事务1下面的那些事务，那么这次用户输入将失效，用户的体验是“这个按键不灵敏，这个机器很慢”；

而我们如果把事务放到中断里去处理，虽然改善了实时性但会导致另外一个问题，有可能会引发中断丢失，这个后果有时候比“慢一点”更加严重和恶劣！又比如事务2是一个只需要1s钟处理一次的任务，那么显然事务2会白白浪费CPU的时间。

这时，我们可能需要改进我们的编程思路，一般我们会尝试采用“时间片”的方式。这时候编程会
变成下面的方式：

main
{
      {事务1的时间片到了则处理事务1}；
      {事务2的时间片到了则处理事务2}；
               .......
      {事务N的时间片到了则处理事务N}；
}
time_isr_server
{
       {判断每个事务的时间片是否到来，并进行标记}；
}
isr_server
{
      {处理中断}；
}

我们可以看到，这种改进后的思路，使得事务的执行时间得到控制，事务只在自己的时间片到来后，才会去执行，但我们发现，这种方式仍然不能彻底解决“实时性”的问题，因为某个事务的时间片到来后，也不能立即就执行，她必须等到当前事务的时间片用完，并且后面的事务时间片没到来，她才有机会获得“执行时间”。

这时候我们需要继续改进思路,为了使得某个事务的时间片到来后能立即执行，我们需要在时钟中断里判断完时间片后，改变程序的返回位置，让程序不返回到刚刚被打断的位置，而从最新获得了时间片的事务处开始执行，这样就彻底解决了事务的实时问题。

我们在这个思路上，进行改进，我们需要在每次进入时钟中断前，保存CPU的当前状态和当前事务用到的一些数据，然后我们进入时钟中断进行时间片处理，若发现有新的更紧急的事务的时间片到来了，则我们改变中断的返回的地址，并在CPU中恢复这个更紧急的事务的现场，然后返回中断开始执行这个更紧急的事务。

上面的这段话有些不好读，事实上，这是因为要实现这个过程是有些复杂和麻烦的，这时候我们就需要找一个操作系统(OS)帮我们做这些事了，如果你能自己用代码实现这个过程，事实上你就在自己写操作系统了，其实从这里也可也看出，操作系统的原理其实并不那么神秘，只是一些细节你很难做好。

到这里，我们终于知道了为什么我们需要操作系统了。事实上，操作系统的用处远不止帮你完成这个“事务时间片的处理”，她还能帮你处理各种超时，进行内存管理，完成任务间的通信等，有了她，程序的层次也更加清晰，给系统添加功能也更方便，这一切在大型项目中越发的明显！

1. 多任务，提高实时性

单片机系统就一个main函数，可以看做是只有一个任务在while函数里面一直跑；而多任务则可看做有多个任务同时在跑，每个任务有一个自己的while循环，感觉每个任务都拥有一个CPU，在各自的CPU中做着自己的事情。

这边所说的同时运行，其实不是真的并行执行，而是并发执行。操作系统都有个基准切换时钟，比如为10ms，当有多个任务时，每个任务之间的运行以10ms的频率进行切换运行，这就让人感觉像是所有的任务一起执行的错觉。

操作系统的最大优势就在于任务的并发执行，当然根据不同的操作系统配合中断/优先级等其任务调度的方式不相同。

2. 分模块开发，减少耦合度

操作系统对模块的划分很明确，特别是像Linux这种系统，在开发过程分工更加明确。

如底层驱动中各类驱动都放在各自的文件夹下，i2c、spi、mmc、mtd、usb等等；应用层则一般以进程区分，每个进程之间相互独立，各自完成各自的功能，进程间要通讯可以有多种方式，将各个功能的程序开发进行隔离，减少程序之间的耦合性。

3. 移植性强，在线安装卸载

为什么要使用操作系统的分析就到这边，有感悟时会持续会更新。

注：以上内容都是本人在学习过程积累的一些心得，难免会有参考到其他文章的一些知识，如有侵权，请及时通知我，我将及时删除或标注内容出处，如有错误之处也请指出，进行探讨学习。文章只是起一个引导作用，详细的数据解析内容还请查看操作系统相关教程，感谢您的查阅。