【12月原創】從菜鳥到起飛的 RT-Thread 開發指南-有解無憂

Hello，大家好，我是 RT-Thread 宣傳委員（自封的）🙂

我經常給大家安利 RT-Thread，尤其是那些還沒用上 RT-Thread、在糾結選擇哪個 RTOS、要不要學習 RTOS 的朋友，

1. RT-Thread 簡介

1.1 RT-Thread 是什么

據不完全統計，世界有成千上萬個 RTOS（Real-time operating system，實時作業系統），RT-Thread 就是其中一個優秀的作品，

RT-Thread 內核的第一個版本是熊譜翔先生在 2006 年年初發布的 0.1 版本，因為 RTOS 中的任務更類似于通用作業系統中的執行緒，并且這個系統支持基于優先級的搶占式任務調度演算法，調度器的時間復雜度是 O(1)，所以把它命名為 RT-Thread，即實時執行緒，名字起得真妙 (，???)ノ

經過14年的發展，RT-Thread 被廣泛應用于智能家居、智慧城市、安防、工控、穿戴等眾多行業領域，累計裝機量超過6億臺，GitHub 的 Star 數量超過 5.3k，嵌入式開源社區活躍度行業第一，

1.2 RT-Thread 的作用

隨著 MCU 硬體性能的提升、外設的增加以及軟體功能需求的增加，越來越多專案采用 RTOS 的開發方式，一方面裸機開發方式的軟體框架不清晰，對后續擴展功能極其不利；另一方面，由于軟體復雜性的增加，裸機開發對工程師的要求越來越嚴苛，過多使用中斷等因素，都會增加系統的不可靠性，

和其他優秀的 RTOS 一樣，RT-Thread 的首要目標也是解決這些問題，RT-Thread 內核的主要功能是向下管理所有硬體資源，向上為應用程式提供 API 介面和軟體服務，所有任務在內核的管理、同步和調度下有序運行，

簡單來說，使用 RT-Thread 能夠帶來如下好處：

支持任務并發處理
容易擴展新的功能
破解應用的復雜性
增強代碼可移植性
節省軟體開發時間
…

您可能會說，其他 RTOS 也能提供這些好處呀，為什么你要推薦 RT-Thread？

因為 RT-Thread 還有許多優點，包括它支持非常多的硬體平臺，還擁有及其豐富的組件和軟體包（包括檔案系統、網路、IoT、AI、傳感器等等），提供了便捷的開發環境和 IDE 工具，以及有眾多技術檔案、參考設計和活躍的開發者社區，這些都能幫助您快速入門和掌握 RT-Thread，開發出優秀的產品，

當然啦，最重要的是，RT-Thread 是一群扎實做事的中國人寫的開源作業系統，幫助您做出好產品的同時還能提高民族自信和國家競爭力，

1.3 RT-Thread 的特點

相比其他作業系統，RT-Thread 的主打特性是 “小而美的物聯網作業系統”，

“小” 體現在 RT-Thread 的體積小，最小資源占用 1.2KB RAM 和 2.5KB flash，RT-Thread 可伸縮、易裁剪的特性，幫助用戶在需要一個適用的作業系統的時候，輕松地進行裁減，適應到需要的場景，不占用過多的資源，

“美” 不單止代碼質量和代碼風格，還有 RT-Thread 的使用和開發體驗，以及增加了小程式、SMP 多核調度、PSA 安全支持等多項實用的新功能，使得 RT-Thread 系統能實作靈活極簡的應用開發，能擴展至眾多高性能、高安全的應用領域，

“物聯網” 則體現在 RT-Thread 針對物聯網場景提供的眾多組件和軟體包，比如 AT組件、WiFi、藍牙、LoRa、Sensor、AI 等等，以及針對安全和低功耗的優化，還有以 JS 為開發方式的柿餅 UI，都使其非常適用于 IoT 領域，

1.4 開源的 RT-Thread

您可能會擔憂，RT-Thread 作為一個開源的作業系統，會不會污染企業私有代碼？開發程序中會不會有很多坑？

其實不用擔心，因為 RT-Thread 是一個“開源、社區化、中立”的系統，遵循 Apache 2.0 開源許可協議，意味著您可以放心地免費在商業產品中使用 RT-Thread 內核和組件，不需要公開私有代碼，只需要在產品說明書上提及“基于 RT-Thread 系統”或“Powered by RT-Thread”即可，

Tips：因為 RT-Thread 軟體包平臺是開放的，許多軟體包都是來自社區開發者，不同軟體包的許可協議可能會不一樣，所以在商業產品中使用時需要稍加注意，

同時，RT-Thread 非常注重在嵌入式開源社區的生態建設，經過多年的積累，除了有官方技術支持團隊，還有活躍的開源社區和數十萬開發者，開發程序中的遇到難題都能尋找官方團隊和社區開發者的支持，

2. RT-Thread 版本

RT-Thread 針對不同應用場景，目前提供了三個主版本，分別是 RT-Thread 標準版、RT-Thread Nano 和 RT-Thread Smart，

代碼均可在 https://www.rt-thread.org/page/download.html 頁面下載，

2.1 RT-Thread 標準版

最常用應該是 RT-Thread 標準版（也稱為 RT-Thread 全功能版本），它由內核層、組件和服務層、IoT 框架層、檔案系統、圖形庫、設備框架等組成，包含完整的中間件組件，具備低功耗、安全、通信協議支持和云端連接能力，是一個完整的 IoT OS，

可以看到，除了實時內核，RT-Thread 標準版還具備豐富的中間層組件和軟體包生態，這也是 RT-Thread 與其他很多 RTOS 的主要區別之一，

2.2 RT-Thread Nano

RT-Thread Nano 是一個極簡的硬實時內核，其記憶體資源占用極小，功能包括任務管理、軟體定時器、信號量、郵箱和實時調度等相對完整的實時作業系統特性，對于系統資源緊張或是專案功能較為簡單的，則可以選擇基于 RT-Thread Nano 進行開發，比如家電、消費、醫療、工控領域的 32 位入門級 MCU，

Tips：RT-Thread Nano 已得到 ARM Keil 官方的認可和支持，在 Keil MDK 中以 pack 方式提供，方便用戶使用，

2.3 RT-Thread Smart

RT-Thread Smart 是一款高性能混合微內核作業系統，其定位在于填補傳統 RTOS 和大型作業系統 Linux 之間的空白，在實時性、成本、安全性、啟動速度等方面取得最佳的平衡，適用于帶 MMU 的中高端應用的芯片，例如 ARM Cortex-A 系列芯片、MIPS 芯片、帶 MMU 的 RISC-V 芯片等，廣泛應用于安防、車載、軍工、消費電子等領域，

RT-Thread Smart 在 RT-Thread 標準版的基礎上啟用獨立、完整的行程方式，同時以混合微內核模式執行，這里“混合”的意思是指在編譯時決定整體系統采用什么樣的運行模式，

2.4 更多

除了以上三個主版本，RT-Thread 還有不同的演進版本，包括前幾天開發者大會發布的專用于智能穿戴領域的 PersimUI OS（湃心OS），以及應用于智能表計領域的 MoM（Microkernel on MCU），還有一些許可授權的衍生OS，

3. RT-Thread 設計思想

RT-Thread 有許多巧妙的設計思想，篇幅有限，這里先介紹幾個，其他留給您慢慢探索，

3.1 任務調度

RT-Thread 支持多任務，允許多個任務同時運行，但并不是真正的同時運行（對于單核的 MCU），而是宏觀上的并行，這就需要執行緒調度器（任務調度器）來完成任務的調度了，

RT-Thread 最大支持 256 級優先級（0~255），數值越小優先級越高，可以根據實際情況選擇 8 或 32 級，對于 ARM Cortex-M 系列，通常采用 32 級優先級，

調度器是作業系統的核心，其主要功能就是實作執行緒的切換，RT-Thread 通過管理就緒串列，當需要調度時可以直接找出就緒串列中優先級最高的執行緒，然后執行該執行緒，時間復雜度為 O(1)，

/* ready thread list */
rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];

/* get highest ready priority thread */
highest_priority_thread = rt_list_entry(rt_thread_priority_table[highest_ready_priority].next,
                          struct rt_thread,
                          tlist);

同時，RT-Thread 還采用 round-robin 策略確保對具有相同優先級的所有執行緒進行同等調度，RT-Thread 的每個執行緒都有時間片引數，如果您希望控制相同優先級的多個執行緒的單次運行時長，可以分別給它們設定不同的時間片，

3.2 啟動流程

RT-Thread 系統的初始化在 main() 函式之前，這意味著您不需要操心 RT-Thread 的初始化操作，可以專心撰寫應用程式，

RT-Thread 還提供了自動初始化機制，初始化函式只需要在函式定義處通過宏定義的方式進行宣告，就會在系統啟動程序中自動執行，不需要在應用代碼中顯示呼叫，相當優雅，

針對不同層級，RT-Thread 提供了不同的宏介面：

初始化順序	宏介面	描述
1	`INIT_BOARD_EXPORT(fn)`	非常早期的初始化，此時調度器還未啟動
2	`INIT_PREV_EXPORT(fn)`	主要是用于純軟體的初始化、沒有太多依賴的函式
3	`INIT_DEVICE_EXPORT(fn)`	外設驅動初始化相關，比如網卡設備
4	`INIT_COMPONENT_EXPORT(fn)`	組件初始化，比如檔案系統或者 LWIP
5	`INIT_ENV_EXPORT(fn)`	系統環境初始化，比如掛載檔案系統
6	`INIT_APP_EXPORT(fn)`	應用初始化，比如 GUI 應用

3.3 內核物件

RT-Thread 內核采用面向物件的設計思想進行設計，系統級的基礎設施都是內核物件，比如執行緒、信號量、互斥量、事件、郵箱、訊息佇列、定時器、記憶體池、設備驅動等等，然后通過內核物件管理系統來訪問/管理所有內核物件，例如當您創建一個物件時，內核物件管理系統就會將這個物件放到一個叫物件容器的地方，

這樣做是為了方便管理內核資源，在后續的開發除錯階段可以很方便地獲取各個內核物件的狀態，并通過 FinSH 輸出除錯資訊，

3.4 FinSH 控制臺

FinSH 是 RT-Thread 最早的組件之一，提供了一套類似于 Linux Shell 的操作介面，您可以通過串口/以太網/USB 等方式與 PC 機進行通信，通過命令列查看系統資訊或用于除錯，

RT-Thread 默認內置了一些 FinSH 命令，比如 list_thread 和 ps 用于查看執行緒資訊，list_sem 用于查看系統信號量資訊，free 用于查看系統記憶體使用情況等等，如果開啟 DFS 組件，還可以使用 ls、cd、cp 等命令操作檔案系統，