Arduino 操作系统

Arduino 本身不附带传统的“操作系统”（OS），如 Windows、macOS 或 Linux。相反，它采用实时系统方法，专注于直接控制硬件，而不是在硬件和软件之间建立抽象层。以下是对 Arduino 如何处理系统操作、使其能够运行的软件以及将 OS 类似功能引入 Arduino 环境的新兴项目的深入探讨。

什么是 Arduino？

最后，Arduino 是一个开源电子平台，基于易于使用的硬件和软件。它面向对设计交互式电子项目感兴趣的业余爱好者、创客和开发人员。在最基本的层面上，Arduino 板是一种微控制器，简而言之，它是一个小型的微型计算机，具有有限的处理能力，用于特定任务和实时操作。由于其简单性，Arduino 不需要标准操作系统。

Arduino 如何在没有操作系统的情况下运行

由于 Arduino 板没有操作系统，软件通常使用 Arduino 集成开发环境 (IDE) 用 C/C++ 编写。其工作原理如下：

1. 直接编程和执行：草图只是在 IDE 中编写的 Arduino 程序。这使得硬件可以直接通过这些草图进行控制，消除了此设计中的任何中间层，并且可以提供实时控制。
2. 引导加载程序：尽管 Arduino 有一个迷你引导加载程序，仅用于通过 USB 从 IDE 上传代码到 Arduino 板。引导加载程序与操作系统类似，但没有传统意义上的多任务处理或文件管理。
3. 实时行为：Arduino 不需要操作系统的开销，因为它专为嵌入式低功耗应用而设计。大多数草图运行一个单循环，该循环连续重复，实时驱动外设（如 LED、电机和传感器），而不会阻塞代码执行。
4. 库：Arduino 库为各种功能提供可重用代码，这些功能可以在与传感器、电机和其他组件交互时重复使用，而无需像完整功能的操作系统那样的东西。

将类似 OS 功能引入 Arduino 的主要项目和框架

虽然 Arduino 不使用传统操作系统，但已开发了几个项目和框架来为该平台添加类似 OS 的功能

1. Arduino 调度器库：由于调度器库，Arduino Due 和其他一些板可以执行基本的多任务处理。强制增量（即小函数）执行工作可以实现一些有限的类似 MMO 的任务调度，类似于原始 OS 静态调度器。
2. Arduino 上的 FreeRTOS：FreeRTOS（免费实时操作系统）是一个开源实时操作系统 (RTOS) 内核。特别是，它已被移植到 Arduino 上运行（尤其是那些具有更多 RAM 的，如 ESP32 或 STM32 板）。因此，FreeRTOS 不仅为 Arduino 添加了任务管理，还实现了内存分配和进程间通信，从而实现了硬件多任务处理的自由。
3. ChibiOS：ChibiOS 是一个实时操作系统内核，移植到 Arduino，其中包括线程、内存管理和同步原语。与 FreeRTOS 一样，ChibiOS 可用于在支持的 Arduino 板上调度并发任务。
4. RIOT OS：一个物联网原生实时操作系统。它与 Arduino 板配合良好，尤其是基于 ARM 的板。RIOT 具有多线程、网络堆栈和节能内核等功能。

Arduino 兼容板的操作系统替代方案

一些板提供 Arduino 兼容性，同时运行真正的操作系统。示例包括：

1. ESP32 和 Micropython：ESP32 板可以执行 MicroPython，一个非常小的 Python 解释器，旨在与微控制器配合使用。MicroPython 本身不是操作系统，但它允许您以高级方式编写脚本，这有点像操作系统。
2. 树莓派 Pico：尽管 Pico 本身没有操作系统框架，但 CircuitPython 等可以安装在其上，并为您的代码提供一些编译或解释的类操作系统结构。
3. 基于 Linux 的 Arduino 兼容板：其他与 Arduino 兼容的板，如 Intel Galileo 或 Arduino Yun，可以在 Arduino 代码之上运行小型 Linux 操作系统。它允许您在完整的操作系统环境中运行，能够支持复杂的网络、存储和用户管理任务，因此您只需要与 Arduino 的硬件功能进行交互。

为什么 Arduino 不需要完整操作系统

Arduino 专为机器人、传感器或自动化等实时应用而设计。在这些场景中，拥有操作系统价值不大，只会引入不必要的复杂性和资源开销。与计算机相比，Arduino 板通常内存和处理能力非常低，因此它们永远不需要操作系统来处理所有这些。

结论

Arduino 允许您直接控制硬件，几乎没有操作系统的低级限制，因此它非常适合嵌入式系统、物联网应用和实时项目。幸运的是，新的框架（例如 FreeRTOS 或 ChibiOS）使多任务处理和其他类似 OS 的功能可用，为复杂的应用提供了更多自由。随着微控制器功能的不断进步和 Arduino 兼容硬件的可用性扩展，一些类似 OS 的功能开始在 Arduino 生态系统中得到采用，从而实现更复杂的项目。