从小白到起飞的 RT-Thread 开发指南

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Hello，大家好，我是 RT-Thread 宣传委员（自封的）🙂

我经常给大家安利 RT-Thread，尤其是那些还没用上 RT-Thread、在纠结选择哪个 RTOS、要不要学习 RTOS 的朋友。

1. RT-Thread 简介

1.1 RT-Thread 是什么

据不完全统计，世界有成千上万个 RTOS（Real-time operating system，实时操作系统），RT-Thread 就是其中一个优秀的作品。

RT-Thread 内核的第一个版本是熊谱翔先生在 2006 年年初发布的 0.1 版本。因为 RTOS 中的任务更类似于通用操作系统中的线程，并且这个系统支持基于优先级的抢占式任务调度算法，调度器的时间复杂度是 O(1)，所以把它命名为 RT-Thread，即实时线程。名字起得真妙 (。・∀・)ノ

经过14年的发展，RT-Thread 被广泛应用于智能家居、智慧城市、安防、工控、穿戴等众多行业领域，累计装机量超过6亿台，GitHub 的 Star 数量超过 5.3k，嵌入式开源社区活跃度行业第一。

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1.2 RT-Thread 的作用

随着 MCU 硬件性能的提升、外设的增加以及软件功能需求的增加，越来越多项目采用 RTOS 的开发方式。一方面裸机开发方式的软件框架不清晰，对后续扩展功能极其不利；另一方面，由于软件复杂性的增加，裸机开发对工程师的要求越来越严苛，过多使用中断等因素，都会增加系统的不可靠性。

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和其他优秀的 RTOS 一样，RT-Thread 的首要目标也是解决这些问题。RT-Thread 内核的主要功能是向下管理所有硬件资源，向上为应用程序提供 API 接口和软件服务，所有任务在内核的管理、同步和调度下有序运行。

简单来说，使用 RT-Thread 能够带来如下好处：

支持任务并发处理
容易扩展新的功能
破解应用的复杂性
增强代码可移植性
节省软件开发时间
…

您可能会说，其他 RTOS 也能提供这些好处呀，为什么你要推荐 RT-Thread？

因为 RT-Thread 还有许多优点，包括它支持非常多的硬件平台，还拥有及其丰富的组件和软件包（包括文件系统、网络、IoT、AI、传感器等等），提供了便捷的开发环境和 IDE 工具，以及有众多技术文档、参考设计和活跃的开发者社区，这些都能帮助您快速入门和掌握 RT-Thread，开发出优秀的产品。

当然啦，最重要的是，RT-Thread 是一群扎实做事的中国人写的开源操作系统，帮助您做出好产品的同时还能提高民族自信和国家竞争力。

1.3 RT-Thread 的特点

相比其他操作系统，RT-Thread 的主打特性是 “小而美的物联网操作系统”。

“小” 体现在 RT-Thread 的体积小，最小资源占用 1.2KB RAM 和 2.5KB flash。RT-Thread 可伸缩、易裁剪的特性，帮助用户在需要一个适用的操作系统的时候，轻松地进行裁减，适应到需要的场景，不占用过多的资源。

“美” 不单止代码质量和代码风格，还有 RT-Thread 的使用和开发体验，以及增加了小程序、SMP 多核调度、PSA 安全支持等多项实用的新功能，使得 RT-Thread 系统能实现灵活极简的应用开发，能扩展至众多高性能、高安全的应用领域。

“物联网” 则体现在 RT-Thread 针对物联网场景提供的众多组件和软件包，比如 AT组件、WiFi、蓝牙、LoRa、Sensor、AI 等等。以及针对安全和低功耗的优化，还有以 JS 为开发方式的柿饼 UI，都使其非常适用于 IoT 领域。

1.4 开源的 RT-Thread

您可能会担忧，RT-Thread 作为一个开源的操作系统，会不会污染企业私有代码？开发过程中会不会有很多坑？

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其实不用担心，因为 RT-Thread 是一个“开源、社区化、中立”的系统。遵循 Apache 2.0 开源许可协议，意味着您可以放心地免费在商业产品中使用 RT-Thread 内核和组件，不需要公开私有代码，只需要在产品说明书上提及“基于 RT-Thread 系统”或“Powered by RT-Thread”即可。

Tips：因为 RT-Thread 软件包平台是开放的，许多软件包都是来自社区开发者，不同软件包的许可协议可能会不一样，所以在商业产品中使用时需要稍加注意。

同时，RT-Thread 非常注重在嵌入式开源社区的生态建设。经过多年的积累，除了有官方技术支持团队，还有活跃的开源社区和数十万开发者，开发过程中的遇到难题都能寻找官方团队和社区开发者的支持。

2. RT-Thread 版本

RT-Thread 针对不同应用场景，目前提供了三个主版本，分别是 RT-Thread 标准版、RT-Thread Nano 和 RT-Thread Smart。

代码均可在 https://www.rt-thread.org/page/download.html 页面下载。

2.1 RT-Thread 标准版

最常用应该是 RT-Thread 标准版（也称为 RT-Thread 全功能版本），它由内核层、组件和服务层、IoT 框架层、文件系统、图形库、设备框架等组成。包含完整的中间件组件，具备低功耗、安全、通信协议支持和云端连接能力，是一个完整的 IoT OS。

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可以看到，除了实时内核，RT-Thread 标准版还具备丰富的中间层组件和软件包生态，这也是 RT-Thread 与其他很多 RTOS 的主要区别之一。

2.2 RT-Thread Nano

RT-Thread Nano 是一个极简的硬实时内核，其内存资源占用极小，功能包括任务管理、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。对于系统资源紧张或是项目功能较为简单的，则可以选择基于 RT-Thread Nano 进行开发。比如家电、消费、医疗、工控领域的 32 位入门级 MCU。

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Tips：RT-Thread Nano 已得到 ARM Keil 官方的认可和支持，在 Keil MDK 中以 pack 方式提供，方便用户使用。

2.3 RT-Thread Smart

RT-Thread Smart 是一款高性能混合微内核操作系统。其定位在于填补传统 RTOS 和大型操作系统 Linux 之间的空白，在实时性、成本、安全性、启动速度等方面取得最佳的平衡。适用于带 MMU 的中高端应用的芯片，例如 ARM Cortex-A 系列芯片、MIPS 芯片、带 MMU 的 RISC-V 芯片等。广泛应用于安防、车载、军工、消费电子等地方。

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RT-Thread Smart 在 RT-Thread 标准版的基础上启用独立、完整的进程方式，同时以混合微内核模式执行。这里“混合”的意思是指在编译时决定整体系统采用什么样的运行模式。

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2.4 更多

除了以上三个主版本，RT-Thread 还有不同的演进版本，包括前几天开发者大会发布的专用于智能穿戴领域的 PersimUI OS（湃心OS），以及应用于智能表计领域的 MoM（Microkernel on MCU），还有一些许可授权的衍生OS。

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3. RT-Thread 设计思想

RT-Thread 有许多巧妙的设计思想，篇幅有限，这里先介绍几个，其他留给您慢慢探索。

3.1 任务调度

RT-Thread 支持多任务，允许多个任务同时运行，但并不是真正的同时运行（对于单核的 MCU），而是宏观上的并行，这就需要线程调度器（任务调度器）来完成任务的调度了。

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RT-Thread 最大支持 256 级优先级（0~255），数值越小优先级越高。可以根据实际情况选择 8 或 32 级，对于 ARM Cortex-M 系列，通常采用 32 级优先级。

调度器是操作系统的核心，其主要功能就是实现线程的切换。RT-Thread 通过管理就绪列表，当需要调度时可以直接找出就绪列表中优先级最高的线程，然后执行该线程，时间复杂度为 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);

同时，RT-Thread 还采用 round-robin 策略确保对具有相同优先级的所有线程进行同等调度。RT-Thread 的每个线程都有时间片参数，如果您希望控制相同优先级的多个线程的单次运行时长，可以分别给它们设置不同的时间片。

3.2 启动流程

RT-Thread 系统的初始化在 main() 函数之前，这意味着您不需要操心 RT-Thread 的初始化操作，可以专心编写应用程序。

RT-Thread 还提供了自动初始化机制，初始化函数只需要在函数定义处通过宏定义的方式进行声明，就会在系统启动过程中自动执行，不需要在应用代码中显示调用，相当优雅。

针对不同层级，RT-Thread 提供了不同的宏接口：

初始化顺序	宏接口	描述
1	`INIT_BOARD_EXPORT(fn)`	非常早期的初始化，此时调度器还未启动
2	`INIT_PREV_EXPORT(fn)`	主要是用于纯软件的初始化、没有太多依赖的函数
3	`INIT_DEVICE_EXPORT(fn)`	外设驱动初始化相关，比如网卡设备
4	`INIT_COMPONENT_EXPORT(fn)`	组件初始化，比如文件系统或者 LWIP
5	`INIT_ENV_EXPORT(fn)`	系统环境初始化，比如挂载文件系统
6	`INIT_APP_EXPORT(fn)`	应用初始化，比如 GUI 应用

3.3 内核对象

RT-Thread 内核采用面向对象的设计思想进行设计，系统级的基础设施都是内核对象，比如线程、信号量、互斥量、事件、邮箱、消息队列、定时器、内存池、设备驱动等等。然后通过内核对象管理系统来访问/管理所有内核对象，例如当您创建一个对象时，内核对象管理系统就会将这个对象放到一个叫对象容器的地方。

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这样做是为了方便管理内核资源，在后续的开发调试阶段可以很方便地获取各个内核对象的状态，并通过 FinSH 输出调试信息。

3.4 FinSH 控制台

FinSH 是 RT-Thread 最早的组件之一，提供了一套类似于 Linux Shell 的操作接口，您可以通过串口/以太网/USB 等方式与 PC 机进行通信，通过命令行查看系统信息或用于调试。

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RT-Thread 默认内置了一些 FinSH 命令，比如 list_thread 和 ps 用于查看线程信息，list_sem 用于查看系统信号量信息，free 用于查看系统内存使用情况等等。如果开启 DFS 组件，还可以使用 ls、cd、cp 等命令操作文件系统。

4. RT-Thread 快速上手

为了提升开发体验，RT-Thread 为我们提供了几种开发环境，主要包括使用多年的 Env 工具和近年来主推的 RT-Thread Studio 集成开发环境。

4.1 Env 工具

Env 是 RT-Thread 推出的开发辅助工具，针对基于 RT-Thread 操作系统的项目工程，提供编译构建环境、图形化系统配置及软件包管理功能。其内置的 menuconfig 提供了简单易用的配置剪裁工具，可对内核、组件和软件包进行自由裁剪，使系统以搭积木的方式进行构建。

优点：支持 Windows/Linux/MacOS 平台，配置、运行速度快。
缺点：学习周期较长，需要了解 git、scons、Kconfig、Python 等知识，需要配合其他工具进行编辑和调试。
下载：https://www.rt-thread.org/page/download.html
GitHub：https://github.com/RT-Thread/env

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4.2 RT-Thread Studio

RT-Thread Studio 是一个基于 Eclipse 的开发工具软件，主要包括工程创建和管理，代码编辑，SDK管理，RT-Thread配置，构建配置，调试配置，程序下载和调试等功能。

优点：低门槛快速上手，一站式开发，图形化配置，社区版本永久免费。
缺点：目前只支持 Windows 平台，配置、编译、运行速度较慢，支持的硬件平台较少。
下载：https://www.rt-thread.org/page/studio.html

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4.3 其他

还有其他一些开发方式，比如在 Keil MDK 中以 pack 形式添加 RT-Thread 内核。

5. 如何参与社区贡献

最后，如果您也想参与社区建设，为 RT-Thread 的生态贡献一份力量，那么您可以结合自身情况选择轻度参与或重度参与。

5.1 轻度参与

在公司产品、个人项目或比赛中使用 RT-Thread；
在 RT-Thread 社区中提问或回答问题；
在 GitHub 给 RT-Thread 提 Issue 反馈 Bug；
参与社区活动和 B站直播；
…

5.2 重度参与

在 GitHub 给 RT-Thread 提 PR 修复 Bug 或增加新功能；
制作软件包并提交到官方软件包索引仓库；
领取任务并加入社区工作小组；
组建社区兴趣小组一起学习；
在当地组织或参与开发者沙龙；
参与 RT-Thread 开发者能力认证考试；
…

还有，别忘了参加 RT-Thread 年度开发者大会！

6. 有哪些学习资料

RT-Thread 文档中心
RT-Thread 视频中心
RT-Thread 参考设计中心
RT-Thread 应用项目汇总
RT-Thread 编程手册
ART-Pi 资源网站

从小白到起飞的 RT-Thread 开发指南

1. RT-Thread 简介

1.1 RT-Thread 是什么

1.2 RT-Thread 的作用

1.3 RT-Thread 的特点

1.4 开源的 RT-Thread

2. RT-Thread 版本

2.1 RT-Thread 标准版

2.2 RT-Thread Nano

2.3 RT-Thread Smart

2.4 更多

3. RT-Thread 设计思想

3.1 任务调度

3.2 启动流程

3.3 内核对象

3.4 FinSH 控制台

4. RT-Thread 快速上手

4.1 Env 工具

4.2 RT-Thread Studio

4.3 其他

5. 如何参与社区贡献

5.1 轻度参与

5.2 重度参与

6. 有哪些学习资料

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1. RT-Thread 简介

1.1 RT-Thread 是什么

1.2 RT-Thread 的作用

1.3 RT-Thread 的特点

1.4 开源的 RT-Thread

2. RT-Thread 版本

2.1 RT-Thread 标准版

2.2 RT-Thread Nano

2.3 RT-Thread Smart

2.4 更多

3. RT-Thread 设计思想

3.1 任务调度

3.2 启动流程

3.3 内核对象

3.4 FinSH 控制台

4. RT-Thread 快速上手

4.1 Env 工具

4.2 RT-Thread Studio

4.3 其他

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5.1 轻度参与

5.2 重度参与

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