PIC 操作系统

引言

PIC 操作系统是用于管理 PIC 微控制器及其接口的专用软件层。它是一个高效的硬件资源和任务管理子系统。因此，裸机编程需要直接应用指令，直接控制微控制器，而无需操作系统协助进行多任务处理、实时响应和内存管理。

这些系统将 PIC 微控制器转化为全能解决方案，能够处理从工业自动化到消费电子产品和物联网领域的各种应用。由于能够最大限度地利用微小的资源，并确保系统精确的时序，PIC 操作系统有助于专门从事 JSBS 和其他类似系统的 OO 开发人员。

什么是 PIC 操作系统？

PIC 操作系统可以定义为位于 PIC 微控制器上的一组软件程序，以及控制器硬件外设与其处理任务之间的接口。常见的操作系统，包括 Windows 和 Linux，由于此类设备的多种特性限制，不适用于微控制器；因此，程序员会创建适合微控制器的 PIC OS。

这些限制如下：内存和处理能力等多种稀缺资源，以及实时业务运营。OS 的主要用途是在 软件 开发人员和 硬件 影响之间提供一个干净的层，使开发人员更容易专注于应用程序应该做什么，而不是它应该如何做。

PIC 操作系统有时与实时操作系统 (RTOS) 相关联。RTOS 旨在在特定时间内处理数据和执行任务，因此非常适合电机控制、传感和通信等应用。同时处理多个程序、规划操作和明智地使用资源的能力，使 PIC OS 能够将简单的微控制器变成精美的嵌入式系统，以支持具有挑战性的项目。

为什么需要为 PIC 微控制器使用操作系统？

最初，PIC 系列等微控制器通常使用裸机应用程序进行编程，在这种方法中，开发人员编写依赖于底层系统的应用程序。这种方法对于简单问题相对快速易行，但对于大规模应用而言非常缓慢。以下是开发人员越来越倾向于 PIC 操作系统的关键原因：

1. 任务管理和多任务处理
   如果不存在操作系统，则需要对冗余进程进行编码，例如从传感器读取数据、控制电机、更新显示屏等。OS 通过一个处理任务调度和运行以提高效率的框架来简化此过程。
2. 实时性能
   虽然有些应用程序是上下文感知的，但它们与环境紧密集成，并要求（例如）微秒级响应传感器。实时操作系统意味着高优先级任务将在正确的时间根据时间约束任务完成。
3. 资源管理
   通用 PIC 微控制器可能实现不足量的 RAM、闪存和处理能力。OS 有效地管理这些资源，以避免可能导致系统停滞的内存溢出和死锁等问题。
4. 模块化和可伸缩性
   OS 允许开发人员将程序分成几个部分，随着项目的进展，这些部分可以更轻松地更新、调试或扩展。这对于耗时较长的项目或将来可能需要添加的项目非常有帮助。

PIC 操作系统的组成部分

典型的 PIC 操作系统包含几个关键组件：

1. 内核
   OS 的控制中心仅处理任务的调度、任务之间的通信和 OS 中任务的同步。
2. 任务调度器
   根据优先级等级或其他指定条件定义工作完成的顺序和时间。
3. 内存管理器
   负责内存区域的锁定和解锁，以避免浪费微控制器宝贵的实时空间。
4. 设备驱动程序
   以一种易于开发人员使用的方式抽象了像 GPIO、ADC 和通信接口这样的芯片上的传感器和硬件接口。
5. 定时器和中断
   它提供了在指定时间或在某个硬件事件被调用时安排操作的功能。

PIC 操作系统的类型

PIC 微控制器有不同类型的操作系统，但所有这些操作系统都是为服务于不同功能而开发的。

1. 裸机编程

裸机编程意味着在没有操作系统的情况下对 PIC 微控制器进行编程。在此方法中，开发人员致力于编写直接与底层硬件交互的代码。尽管它本身不是操作系统，但它是一种重要的视角，充当参考平台。

特性

• 单线程执行：活动一个接一个地完成。
• 轻量级：运行此类类型系统所需的内存和处理最少。
• 完全控制：开发人员对相关硬件和软件的实现拥有完全的控制权。

优点

• 推荐用于简单、低带宽的应用，其中输出处理不一定是/内核密集型的。
• 没有 OS 层的开销，因此应用程序性能更快。

缺点

• 处理多边形或应用程序处理程序效率低下。
• 大规模项目频繁的开发和调试会增加总体工作量。

应用

• 实际设备包括基本的物联网传感器、易于控制的 LED 和基本通信模块。

2. 协作式操作系统

协作式操作系统允许任务共享 CPU，它还显示了自愿将控制权移交给另一个任务的能力。在此类系统中，OS 具有基本的任务调度机制，任务必须自愿放弃控制。

特性

• 任务调度：根据产生手动分配任务的文献回顾程序。
• 轻量级内核：它不需要在其安装的机器上占用太多资源。
• 有限的实时支持：高时间精度取决于任务的分配。

优点

• 与抢占式系统相比，它的实现似乎更容易。
• 更易于处理流量不大的系统或中等复杂度的显示。

缺点

• 如果一个任务未能获得控制权，则可能导致 CPU 垄断。
• 实时应用程序不易扩展。

应用

• 家居自动化系统、小型电器和简单的机器人。

3. 抢占式实时操作系统 (RTOS)

抢占式 RTOS 适用于需要在预定时间范围内执行任务的实时应用程序。它具有抢占式优先级，意味着可以在执行过程中将一个作业中断，以便执行一个更高优先级的作业。

特性

• 实时性能：不同任务在明确的时间参数下执行。
• 任务优先级：当我们设置优先级时，如果前者坚持执行，后者将不会生效。
• 中断处理：与需要立即支持的硬件事件集成。

优点

• 特别适用于涉及紧急任务的场景。
• 该组件还支持并发处理，开发人员的参与度很小。

缺点

• 增加了设置和配置。
• 与其他系统相比，它更复杂，因此需要更多的系统资源。

应用

• 工业驱动和控制、机器人、过程控制和仪器仪表以及实时数据采集。

4. 混合操作系统

协作式抢占式操作系统是对协作式系统的修改，其中 CPU 在分配给程序的有限计算时间后被分配给执行其他程序。它使任务在基础级别上并行运行，但可以采用抢占式，但更适合分时。

特性

• 灵活调度：手动任务的局部和部分自动化。
• 适应性性能：它在考虑资源利用率的同时，保持实时响应能力。
• 中等复杂度：比完全抢占式系统更容易管理。

优点

• 它同时提供了模型训练的简便性和生成预测的高时效响应。
• 设计用于处理需要不同处理程度的复杂系统。

缺点

• 这意味着与协作式系统相比，层次结构具有更高的复杂性。
• 在传统的纯粹实时应用中，其效率不如完整的 RTOS。

应用

• 消费电子产品被归类为嵌入式系统组，结合了硬实时和软实时处理。

5. 联邦式操作系统

事件驱动型操作系统认为它响应事件或某些刺激。任务的执行是响应硬件中断或传感器接收到某些信号而触发的。

特性

• 中断驱动：主要依赖于硬件中断。
• 低功耗：最适合大多数操作都处于挂起模式的系统。
• 高效的资源利用：仅响应刺激来执行特定作业。

优点

• 旨在利用功耗有限的系统。
• 许多组织发现实现具有特定触发器以采取行动的系统相对容易。

缺点

• 对于需要同时处理多个事件的组织或特定项目，它可能无法用于连续操作。
• 如果组织或给定项目中需要控制的事件很多，这将更具挑战性。

PIC 操作系统的应用

具有基本或高级操作系统的 PIC 微控制器是当今技术中使用的数百万个嵌入式系统的核心。PIC 操作系统通过增加任务控制、资源管理和实时处理来为微控制器增加价值。

1. 工业自动化

工业应用表明，自动化有助于最大化效率、动态精度和安全性。PIC 操作系统在此类环境中得到应用，通过促进与机器和流程的实时交互来监控或控制它们。

关键应用

• 过程控制系统： PIC 微控制器控制各种生产线的传感器和执行器，严格控制温度、压力和速度等因素。
• 机器人技术：通过 PIC OS，机器人能够处理并发任务，如移动、对来自传感器或其他内部和外部世界部分的输入的编程响应以及双向通信。
• 电机控制：使用实时 OS 功能实现输送线、泵和机械臂的实时电机控制。
• 预测性维护： PIC OS 可以从这些传感器获取数据，确定未来的故障条件，并启动必要的维护操作，从而避免设备停机。

2. 消费电子产品

没有嵌入式系统，消费电子产品就无法想象，PIC 操作系统管理着这些产品的大部分操作。

关键应用

• 家用电器：小型电器，包括洗衣机、冰箱、空调和微波炉，都采用 PIC 微控制器来控制时钟、电机以及与用户的交互。
• 智能家居设备： PIC OS 为智能恒温器、照明解决方案和安全摄像头提供支持，这些设备可以轻松控制并与物联网设备连接。
• 可穿戴设备：智能手表和其他可穿戴设备采用带操作系统支持的 PIC 微控制器来处理感应数据、刷新显示屏和完成无线连接。

3. 汽车系统

如今的汽车制造商正在使用微处理器来提高安全性、便利性和燃油效率。PIC 操作系统支持这些发展，这些发展提供了操作的可靠性和实时性等好处。

关键应用

• 发动机控制单元 (ECU)： PIC OS 控制与发动机相关的参数，例如燃油喷射器、点火正时和排放调节。
• 高级驾驶员辅助系统 (ADAS)：自适应巡航控制、车道保持辅助或碰撞避免等选项是实时数据处理设备。
• 车载信息娱乐系统：汽车的多媒体系统集成了 PIC 微控制器，用于调节音频、视频和连接。
• 电池管理系统 (BMS)：在电动汽车的情况下，“电源指令控制”操作系统负责管理电池及其充电和放电。

4. 医疗设备

在医疗保健领域，准确的工作和获得多重结果非常重要。PIC 操作系统的实时性能在医疗设备中是必需的。

关键应用

• 患者监护系统： PIC 微控制器分析来自心率和血压监测设备等设备的数据，提供任何变化的早期警报。
• 输液泵： PIC OS 调节向患者输送液体和药物，以避免发生事故的可能性。
• 便携式诊断设备：血糖仪、脉搏血氧仪或心电图信号使用 PIC 微控制器进行数据采集/处理和显示。
• 外科手术器械：实时系统用于精确控制手术机器人工具和其他复杂的医疗器械。

5. 物联网 (IoT)

物联网是一个新兴的领域，其中互联网连接设备是活跃的，并且能够通信甚至互操作。PIC 操作系统

关键应用

• 智能传感器： OS 支持的 PIC 微控制器能够处理和传输来自物联网网络中传感器应用程序的数据。
• 联网家居设备：智能插头、摄像头和警报器等设备需要低延迟模块才能协同工作，PIC OS 实现了这一点。
• 农业物联网： PIC 微控制器运行湿度和天气传感器以及作物状况跟踪等设备，以实现智能农业。
• 工业物联网：因此，在智能工厂中，PIC OS 的作用是为传感器提供数据，并进行处理和汇聚到云端进行分析和管理。

6. 通信系统

因此，PIC 操作系统的特点如下：操作系统主要参与通信设备中的数据流、协议和纠错。

关键应用

• 无线模块： PIC OS 支持 Zigbee、Bluetooth 和 Wi-Fi 等无线协议，用于嵌入式系统的无线通信。
• 调制解调器和网关： PIC 微控制器用于控制通信网络中的数据传输和协议转换。
• 遥测系统：例如，在远程监控和控制中，通过 PIC OS 传输和处理的数据取得了成功。

使用操作系统为 PIC 进行开发

使用操作系统 (OS) 为 PIC (Peripheral Interface Controller) 微控制器创建应用程序可以增强这些出色的嵌入式系统以实现有效多任务处理。此外，使用 OS 可以简化开发，因为 OS 负责处理资源和时间，并且具有预编程的外设和实时控制库。

1. 选择合适的操作系统

在带有 OS 的 PIC 开发中，第一个过程是选择合适的操作系统。主要考虑因素包括：

• 应用程序需求
  了解应用程序是否需要高实时吞吐量、同时运行不同任务的能力或电源管理或安全等特定功能。
• 硬件兼容性
  确保 OS 与您将要使用的 PIC 微控制器型号兼容。
• 资源可用性
  选择能够适应微控制器内存和所选微处理器处理能力的 OS。
• 易用性
  选择一个操作系统，其文档、操作方法文章和论坛可以在网上轻松免费获取。
• 许可和成本
  决定您是想使用开源 OS，还是您的需求需要付费（例如 FreeRTOS 或 Micrium OS、Keil RTX 等）。

2. 设置开发环境

为 PIC 微控制器开发数字应用程序必须使用适当的开发环境。基本工具包括：

• 集成开发环境 (IDE)
  MPLAB X IDE 是 Microchip 公司为 PIC 微控制器提供的官方集成开发环境。它包含编译器工具、调试器和模拟器。
• Compiler
  有几种编译器可用，即 MPLAB XC8、XC16 或 XC32，具体取决于使用的微控制器架构。
• 编程器/调试器
  PICkit 或 ICD4 是固件上传工具和应用程序 调试 工具。
• OS 集成工具
  大多数操作系统都附带配置工具（例如，FreeRTOS 有一个用于 MPLAB X IDE 中调试的 Kernel Awareness 插件）。

3. 应用设计和架构

在讨论了平台作为 OS 的基本构建块之后，值得注意的是，用 OS 构建的应用程序应该具有模块化和多任务处理等特性。关键方面包括：

• 任务设计
  将应用程序划分为多个任务，每个任务对应应用程序的一个特定操作（例如，传感器数据解释、通信、GUI 更新）。
• 优先级
  有两种基本因素可用于设置优先级——相关任务的重要性以及完成任务所需的时间。中断和关键数据任务应优先于低中断和低关键数据任务。
• 资源分配
  为每个任务建立内存、CPU 时间和外设。OS 的结构应满足一些决策相关需求，包括冲突管理和资源使用的正确分配。
• 任务间通信
  使用消息队列、信号量或互斥体等功能来实现数据的安全共享和任务的同步。

4. 调试和测试

验证和确认活动在嵌入式系统开发中非常重要。PIC 操作系统提供了有助于此过程的工具和功能：

• 内核感知
  集成到 IDE 中的专用工具可以显示任务状态、堆栈使用情况和调度信息。
• Simulation
  尽可能不要在应用程序的初始开发阶段使用硬件，因为使用模拟器会更有效。
• 硬件调试
  PICkit 或 ICD 是用于在真实硬件上测试应用程序的一些有用工具。
• 压力测试
  在测试时，请创造高活动水平以确定性能的持久性和可靠性。

5. 编写和集成代码

使用 PIC OS 开发应用程序涉及在 OS 框架内编写和集成代码：

• 任务创建
  要定义和创建任务，请使用 OS 提供的 API。例如，在 FreeRTOS 上下文中，任务使用 xTaskCreate() 启动。
• 硬件接口
  使用 OS 提供的硬件抽象层 (HAL) 来访问外设。这一因素使得连接定时器、ADC 或通信模块等设备更加容易。
• 实时功能
  这里需要提及的一些事情是 OS 内置的用于控制实时的定时器、延迟和事件标志。
• 错误处理
  使用错误检测和恢复，使系统更加健壮。

6. 性能优化

通过性能优化，考虑到应用程序的执行，使其在可用的 PIC 微控制器资源下达到最大性能。关键策略包括：

• 最小化开销
  尽量减少任务数量，并尽量避免在任务集之间频繁切换。
• 高效的内存使用
  尽可能使用静态内存分配进行进程，以减少运行时碎片问题。
• 中断管理
  必须妥善管理中断，并确保它们不干扰重要任务。

7. 部署和维护

在此阶段，当应用程序已编码并经过测试后，应将其安装到目标设备上。部署后，请考虑这些方面：

• 固件更新
  安装安全的引导加载程序以进行固件升级，无论是在本地还是远程。
• 监控和日志记录
  通过 OS 的日志记录功能监控系统性能并制定问题陈述。

PIC 操作系统的特点

PIC 操作系统提供了一系列操作系统开发增强功能，以提高嵌入式系统的性能。这些功能满足低资源环境的要求，同时支持实时和多任务处理。

1. 实时操作

PIC 操作系统通常具有的同步操作可以通过实时操作系统 (RTOS) 功能来补充。这保证了工作在时间维度范围内进行，这是及时活动的关键特征。

• 确定性调度：因此，人员按照计划工作，他们的任务顺序由已安排的时间表决定。
• 中断处理：当需要立即采取行动时，用于硬件中断。

2. 多任务支持

PIC OS 支持多任务处理，因为同一时间可以运行多个任务。

• 抢占式多任务处理：高优先级可能会中断低优先级任务。
• 协作式多任务处理：任务自愿将控制权释放给 OS，因此可以公平地进行。

3. 内存管理

因此，在资源受限的 PIC 微控制器中，有效利用内存很重要。

• 静态分配：改善运行时内存碎片。
• 堆栈监控：有助于避免在管理内存的过程中发生堆栈溢出。

4. 硬件抽象

操作系统还隐藏了硬件接口，并使用方便的应用程序编程接口来与定时器、ADC、UART 甚至 I2C 模块等外设进行交互。

• 易用性：这可以解释为开发人员可以在不了解底层硬件问题的情况下在硬件上实现应用程序代码。
• 可移植性：这意味着为一种 PIC 型号的子集开发的代码可以稍作修改以适用于另一种。

5. 任务间通信

PIC OS 提供了任务能够相互通知或协作的机制。

• 消息队列：允许任务以有序的方式通信信息。
• 信号量和互斥体：通过控制共享资源的访问来帮助避免数据损坏。

6. 电源管理

鉴于当前对功耗的担忧，PIC 操作系统提供了电源控制选项。

• 睡眠模式：在晚上和夜间减少不必要的功耗。
• 动态电压调整：根据工作负载改变工作电压。

7. 可扩展性

PIC 操作系统旨在支持从简单命令到大型应用程序/系统的“向上扩展”。

• 模块化架构：允许开发人员根据现有条件实现或移除某些功能。
• 可定制性：根据应用需求定制操作系统的结构和某些功能。

使用 PIC 操作系统的挑战

然而，有经验的程序员在实现 PIC 操作系统时可能会遇到一些问题，特别是如果他们是 PIC 嵌入式系统领域的新手，或者他们在内存受限的情况下工作。

1. 资源有限

选择 PIC 微控制器的原因之一是它们价格低廉且尺寸小巧；然而，这些优势伴随着限制。

• 内存限制： OS 会占用一些稀缺资源，如 RAM 和闪存，从而为应用程序提供更少的资源。
• 处理能力：在 WS 层之上运行 OS 意味着额外的层将阻碍系统中处理的任务的分配。

2. 配置复杂性

与任何系统一样，设置 PIC OS 需要了解架构和配置。

• 任务优先级：由于优先级管理不当，可能导致错过截止日期或系统无响应。
• 堆栈和内存分配：不建议将内存设置得太低，否则系统将崩溃并抛出运行时错误。

3. 学习曲线

采用操作系统的陡峭学习曲线的一个典型例子是那些先前有裸机编程背景的开发人员。

• 新范式：多任务处理、任务间通信和实时调度等概念可能听起来不熟悉。
• 特定于 OS 的 API：使用 Windows 和 Linux 中的 API 不同；尽管它们都是操作系统，但每个都有自己的 API，需要时间和学习来掌握。

4. 调试挑战

与裸机编程相比，调试 PIC OS 管理的应用程序要困难得多。

• 任务交互：一些错误可能源于资源共享或同步操作调度不当。
• 实时约束：调试实时系统可能会破坏时序，因此问题的可重现性可能会成为一个真正的问题。

5. 商业解决方案的成本

基于免费和开源编程，Picture Image Computing 中的许多操作系统方面（例如 PIC 所保证的）是围绕执行复杂功能或行业认证所需元素开发的。

• 许可费： Keil RTX 或 Micrium OS 等供应商提供 RTOS，这会增加开发成本。
• 专有限制：对源代码的访问可能受限，导致灵活性不足。

PIC 操作系统的未来

在 PIC 操作系统领域，尤其是在嵌入式系统方面，由于计算机的先进创新、对智能外围设备的需求以及实时和资源敏感系统的变化，未来将有很多发展。PIC 微控制器通过在不同行业中与强大的操作系统协同工作来提供帮助，并且在不久的将来它们将保持重要。

1. 改进实时性

如今设备中的更复杂系统，例如自动驾驶汽车和智能工业，需要更好的实时性能。未来的 PIC 操作系统将侧重于：

• 更好的确定性行为：消除任务切换的固有延迟并增强中断处理以满足高实时要求。
• 更高精度：工业自动化和通信系统的标准，但偏爱时间敏感网络 (TSN) 进行设备同步。

2. 与人工智能 (AI) 集成

AI 已开始成为边缘计算的重要组成部分，即必须基于本地环境做出决策，而无需依赖云。PIC 操作系统将发展为：

• 支持 AI 库：为片上 AI/ML 执行提供基础，用于预测性维护、对象检测、语音识别等功能。
• 优化资源利用：提供框架以在 PIC 微控制器的有限功能下高效部署轻量级 AI 模型。

3. 物联网和连接性增强

物联网正在彻底改变家庭和其他场所的设备接口和功能。PIC 操作系统将适应支持：

• 高级通信协议：增强 MQTT 连接、Zigbee 和 LoRa 等 IoT 连接解决方案。
• 边缘到云集成：简化连接对象和云之间交换信息的复杂性，以便进行监督和命令。

4. 关注安全

因此，根据研究，如果系统变得更加互联，嵌入式系统的威胁范围将不断扩大。未来的 PIC OS 开发将侧重于：

• 安全启动和固件更新：确保您使用的设备只运行受信任的软件。
• 内置加密支持：改进传输和存储的数据的弱安全性。

5. 低功耗和高能效

电池供电和全球环境考虑的应用特定，能效将继续是重要的考虑因素。创新将包括：

• 动态电源管理：根据需要完成的工作量灵活地利用能源。
• 支持能量收集设备：增加 OS 的功能，用于控制从环境中获取的能量。

6. 简化的开发工具

未来的 PIC 操作系统将侧重于通过以下方式改善开发人员体验：

• 图形配置工具：减少 OS 设置问题和相关任务。
• 更好的调试和监控：提供系统性能实时基础分析的选项，以便更快地识别系统问题。