前言

RT-Thread 是一款主要由中国开源社区主导开发的开源实时操作系统（v3.1.0以及以前版本遵循GPLv2+许可协议，v3.1.0以后版本遵循 Apache License 2.0 开源许可协议）。实时线程操作系统不仅仅是一个单一的实时操作系统内核，它也是一个完整的应用系统，包含了实时、嵌入式系统相关的各个组件：TCP/IP协议栈，libc接口，图形用户界面等。

一、国产RT-Thread 操作系统的特点和优势

1.RT-Thread特点

1）跨芯片平台
RT-Thread支持所有主流微控制器，解决设备碎片化问题。
2）实时操作系统内核
RT-Thread完全自主开发，硬实时，精致，高效，高度可定制。
3）云端一体化
设备端和云端一体化设计，轻松接入各类主流物联网设备云平台。
4）超低功耗设计
最大限度的降低系统功耗，针对不同应用场景，采用自动功耗控制策略。
5）快速启动
上电即启动，毫秒级启动时间，真正零等待开机。
6）安全性设计
层次化的系统安全架构，提供各类安全机制，保障应用和系统安全。
7）智能AI引擎
集成音频，图像相关的各类算法和智能引擎。
8）开放平台
独立第三方开放平台，支持各类，第三方软件包和SDK，扩展系统功能。

2.RT-Thread优势

1）组件丰富
RT-thread具有丰富的原生组件，为系统贴身定制，轻松扩展系统功能。
包含设备虚拟文件系统、设备管理器框架、低功耗管理框架、协议栈、图形库、音频流媒体框架、固件远程升级FOTA及其他第三方组件等一系列扩展组件。
2）简单易用
开发者说，RT-Thread是最简洁，优雅的开源操作系统之一。
RT-Thread架构清晰，C语言风格的内核面向对象设计，完美的模块化设计。
也具有Unix代码风格，使得API简明齐全，代码注释清晰。同时调试方便，通过内置的Shell调试工具，方便实时监测内核信息。
3）高度可伸缩
易裁剪，易扩展，适用于不同档次的产品，大大增加软件的可复用性，提升开发的效率。

二、RTT Nano的功能框架

RT-Thread 与其他很多 RTOS 如 FreeRTOS、uC/OS 的主要区别之一是，它不仅仅是一个实时内核，还具备丰富的中间层组件，如下图所示。

1.架构图

在这里插入图片描述

2.部分解析

内核层：RT-Thread 内核，是 RT-Thread 的核心部分，包括了内核系统中对象的实现，例如多线程及其调度、信号量、邮箱、消息队列、内存管理、定时器等；libcpu/BSP（芯片移植相关文件 / 板级支持包）与硬件密切相关，由外设驱动和 CPU 移植构成。

组件与服务层：组件是基于 RT-Thread 内核之上的上层软件，例如虚拟文件系统、FinSH 命令行界面、网络框架、设备框架等。采用模块化设计，做到组件内部高内聚，组件之间低耦合。

RT-Thread 软件包：运行于 RT-Thread 物联网操作系统平台上，面向不同应用领域的通用软件组件，由描述信息、源代码或库文件组成。RT-Thread 提供了开放的软件包平台，这里存放了官方提供或开发者提供的软件包，该平台为开发者提供了众多可重用软件包的选择，这也是 RT-Thread 生态的重要组成部分。软件包生态对于一个操作系统的选择至关重要，因为这些软件包具有很强的可重用性，模块化程度很高，极大的方便应用开发者在最短时间内，打造出自己想要的系统。RT-Thread 已经支持的软件包数量已经达到 60+，如下举例：

1）物联网相关的软件包：Paho MQTT、WebClient、mongoose、WebTerminal 等等。
2）脚本语言相关的软件包：目前支持 JerryScript、MicroPython。
3）多媒体相关的软件包：Openmv、mupdf。
4）工具类软件包：CmBacktrace、EasyFlash、EasyLogger、SystemView。
5）系统相关的软件包：RTGUI、Persimmon UI、lwext4、partition、SQLite 等等。
6）外设库与驱动类软件包：RealTek RTL8710BN SDK。

三、RTT Nano的功能框架

1.RT-Thread Nano简介

RT-Thread Nano 是一个极简版的硬实时内核，它是由 C 语言开发，采用面向对象的编程思维，具有良好的代码风格，是一款可裁剪的、抢占式实时多任务的 RTOS。其内存资源占用极小，功能包括任务处理、软件定时器、信号量、邮箱和实时调度等相对完整的实时操作系统特性。适用于家电、消费电子、医疗设备、工控等领域大量使用的 32 位 ARM 入门级 MCU 的场合。

2.RT-Thread Nano软件框图

在这里插入图片描述
支持架构： ARM：Cortex M0/ M3/ M4/ M7 等、RISC-V 及其他。
功能： 线程管理、线程间同步与通信、时钟管理、中断管理、内存管理。

3.RT-Thread Nano特点

1）简单
下载简单、代码简单、移植简单、使用简单
2）小巧
**资源占用小：**对 RAM 与 ROM 的开销非常小，在支持 semaphore 和 mailbox 特性，并运行两个线程 (main 线程 + idle 线程) 情况下，ROM 和 RAM 依然保持着极小的尺寸，RAM 占用约 1K 左右，ROM 占用 4K 左右。

四、STM32F407ZET6移植

1.STM32CubeMx添加RT-Thread操作系统组件

1）操作步骤 (Help -> Manage embedded software packages)
在这里插入图片描述
2）添加NANO软件包
https://www.rt-thread.org/download/cube/RealThread.RT-Thread.pdsc

3）添加完成后如下图

2.RT-Thread适配修改

RT-Thread 操作系统重定义 HardFault_Handler、PendSV_Handler、SysTick_Handler 中断函数，为了避免重复定义的问题，在生成工程之前，需要在中断配置中，代码生成的选项中，取消选择三个中断函数（对应注释选项是 Hard fault interrupt, Pendable request, Time base :System tick timer），最后点击生成代码，具体操作如下图所示：

在这里插入图片描述

3.STM32F407多线程实现

基于项目实训的多线程传感器任务系统。
总共4个线程
分别为烟雾传感器线程、火焰传感器线程、光敏传感器线程以及数据发送线程（主线程）
1）任务线程初始化

//任务线程
struct rt_thread smoke_thread;
struct rt_thread fire_thread;
struct rt_thread light_thread;
//任务栈
rt_uint8_t rt_smoke_thread_stack[512];
rt_uint8_t rt_fire_thread_stack[512];
rt_uint8_t rt_light_thread_stack[512];
//任务函数
void smoke_task_entry(void *parameter);
void fire_task_entry(void *parameter);
void light_task_entry(void *parameter);
 
//初始化线程函数
void MX_RT_Thread_Init(void)
{
	//初始化LED线程
	/*
		静态线程对象
		线程名
		线程入口函数
		线程入口参数
		线程栈地址
		线程栈空间大小
		线程优先级
		线程时间片
		
	*/
	rt_thread_init(&smoke_thread,"smoke",smoke_task_entry,RT_NULL,&rt_smoke_thread_stack[0],sizeof(rt_smoke_thread_stack),2,60);
	rt_thread_init(&fire_thread,"fire",fire_task_entry,RT_NULL,&rt_fire_thread_stack[0],sizeof(rt_fire_thread_stack),3,60);
	rt_thread_init(&light_thread,"light",light_task_entry,RT_NULL,&rt_light_thread_stack[0],sizeof(rt_light_thread_stack),4,60);
	//开启线程调度
	rt_thread_startup(&smoke_thread);
	rt_thread_startup(&fire_thread);
	rt_thread_startup(&light_thread);
}

2）任务函数

//烟雾检测任务
void smoke_task_entry(void *parameter)
{
	//1000ms闪烁一次
	while(1)
	{

		Detect_Smoke();//烟雾标志函数
		if(!SmokeFlog){
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_SET);
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_SET);
			
		}
		else{
			if(SmokeFlog && FireFlag && LightFlag){
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_RESET);
			}
		}
		rt_thread_mdelay(1000);
	}
}
//火焰检测任务
void fire_task_entry(void *parameter)
{
	//100ms闪烁一次
	while(1)
	{
		
		Detect_Fire();//火焰志函数
		if(!FireFlag){
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_10,GPIO_PIN_SET);
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_SET);
			
		}
		else{
			if(SmokeFlog && FireFlag && LightFlag){
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_RESET);
			}
		}
		rt_thread_mdelay(100);
	}
}
//光照检测任务
void light_task_entry(void *parameter)
{
	//1000ms闪烁一次
	while(1)
	{
		
		Detect_Light();//光照标志函数
		if(!LightFlag){
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_SET);
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_SET);
		}
		else{
			if(SmokeFlog && FireFlag && LightFlag){
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_RESET);
			}
		}
		rt_thread_mdelay(1000);
	}
}

3）主函数

//开启多线程任务
	MX_RT_Thread_Init();
	while (1)
	{
//在主线程中发送温湿度数据
		if(SendDataFlag==1){
			WIFE_SendTempData(t);
			memset(t,0,sizeof(t));
			WIFE_SendHumData(h);
			memset(h,0,sizeof(h));
			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE, GPIO_PIN_14);
			rt_thread_mdelay(500);
			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE, GPIO_PIN_14);
			rt_thread_mdelay(500);
			SendDataFlag=0;
		}
		rt_thread_mdelay(500);
	}

效果演示

在这里插入图片描述

总结

多线程的使用，使得整个项目的稳定性更近一步提升、也提高了各个模块的独立性，使得程序的健壮性提高。在融合多线程的时候，需要进行各个子任务的栈帧的划分、子任务函数的定义以及编写、任务优先级的设定等一系列操作，在mian函数中开启多线程，使用RT-Thread的专用延时函数达到程序的分时复用。板载mcu是没有多核心的，但是由于其运算速度快，可以将其在极短的时间内分布交叉执行不同的任务，即可达到多线的效果。