上周碰到某位同学在了解到我的《从0手嵌入式操作系统》课程之后，向我提出这样的问题：

现在开源的RTOS那么多，直接拿来用就行了，为什么还要花力气自己手写一个？ 手写RTOS真的有必要吗？手写一遍到底能学到什么？

在这篇文章中，我将详细介绍为什么嵌入式开发者想要把RTOS用得更好，就当尝试手写一个。

手写RTOS不是为了造轮子

首先，我们要明确一点：手写RTOS并不是为了造一个新轮子去替代现有的RTOS。

成熟的开源RTOS，如FreeRTOS、RT-Thread、Zephyr，都经过了大量项目的验证。它们的功能完善、稳定性高，在实际开发产品时，我们直接使用就好，没必要用自己的。

之所以要手写RTOS，真正的目的是：借着亲手实现的过程，把RTOS背后的工作原理吃透。

这其实和学开车是一个道理。

如果一个人不仅会开车，还清楚发动机、刹车系统是怎么配合工作的，甚至动手组装过一辆车，那么他开起车来往往更得心应手。

同样的，手写RTOS追求的并不是写出一个比FreeRTOS更好的内核，而是在亲手实现每一个模块的过程中，建立起对整个系统的深刻理解。这个目标，是仅看教程、调用API实现不了的。

学习哪些东西

在手写RTOS的过程中，最值得学习的具体哪些东西呢？

我认为主要是以下几个核心机制。这些机制是所有RTOS普遍存的核心机制。如果能亲手实现一遍，你就真正理解了RTOS是怎么运转的。

任务切换的机制

任务切换是RTOS最基础、最核心的机制。可以，说没有任务切换就没有多任务、也就没有RTOS。

当这部分机制时，你将从最底层的函数调用原理和汇编指令入手，一步步搞清楚很多底层问题：

进行任务切换时，当前任务的寄存器是怎么逐个保存到它自己栈里的，下一个任务的寄存器又是怎么从它的栈里恢复回CPU的。 任务切换动作是借由哪个中断（如ARM Cortex-M上的PendSV）触发的？为什么要专门用这样一个中断？

你可能会想：为什么要理解这些东西呢？答案是：帮助移植。

由于嵌入式硬件平台的多样性，你需要将RTOS移植到为自己项目设计的板子上。官方并不会给出针对该板子的移植包，所以很多工作还需要你自己来做。

由于任务切换是整个内核里与具体硬件关联最紧密的部分，你只有真正搞懂了切换的来龙去脉，才看得懂、也才动手改得了那部分移植代码。

调度器的设计

当手写调度器时，你可以理解很多很多问题：

不同RTOS采用的调度算法，其效率差别在哪里？ 抢占式调度和时间片轮转调度的具体工作方式，以及如何影响到任务的运行？

当真正理解调度器怎么工作之后，你才能把系统里任务的优先级安排得更合理。 做到真正明白任务的优先级意味着什么，任务在什么情况下会被阻塞或暂停。

任务控制块和任务栈的设计

每个任务在内核里都有一个任务控制块，用于记录优先级、状态、栈指针等信息。

除此之外，任务还有一个独立的栈，用来放局部变量、函数调用现场和切换时保存的上下文。

当手写RTOS时，你需要自己定义任务控制块的数据结构，合理安排栈的分配和大小。这能帮你解开实际开发里的很多困惑：

栈溢出是怎么发生的？RTOS提供的栈检测到底准不准？ 任务在就绪、运行、阻塞、挂起会对程序产生什么影响？ 任务控制块和栈的内存是如何分配的；删除任务时，这些资源能不能被及时回收？

同步与通信机制的实现

在实现完任务切换与调度器之后，就需要解决任务之间的同步与通信问题。

在手写这部分时，你会弄清楚信号量、消息队列等机制，在获取不到资源时是如何阻塞任务，条件满足时又是如何唤醒任务，任务之间的消息是如何传递的。

并且，这些机制有其所适用场合。只有真正理解了它们内部工作机制，你才能在具体场景里选对、用对。

总结

综上所述，嵌入式开发者要想真正把RTOS学透，而不是只停留在调用API层面，亲手手写一个是最有效的办法。

通过实现任务切换、调度器、同步与通信等核心机制，你就抓住了所有RTOS共通的东西。之后无论用哪款RTOS，还是去阅读它们的源码，你都能举一反三、快速上手。

想亲手实现一个RTOS？

看到这里，可能已经有同学想自己动手把这几个机制实现一遍，却又担心无从下手。

我的《从0手写嵌入式操作系统》系列课程，正是带你从一个空白工程开始，一步步把任务切换、调度器、任务栈与控制块、信号量等核心模块亲手写出来，最终得到一个能运行在RISC-V和ARM 上的完整内核。

此外，该系列课程还会带你完成跨架构移植，并用它做一个真实的物联网项目。

如果你已经用过一段时间RTOS，想再往底层走一步、真正搞懂它的来龙去脉，欢迎跟着课程一起动手。等你亲手把内核写出来，再回头看FreeRTOS、RT-Thread，很多以前似懂非懂的地方自然就变得清晰起来。

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如果你希望系统地学习RTOS底层原理，可以了解我的《RTOS开发与实战》课程。

课程不是简单地讲解FreeRTOS API的使用，而是带你从零开始编写一个RTOS内核，逐步实现任务管理、任务调度、上下文切换、同步与通信等核心机制，并通过一个远程温湿度监控设备项目，将操作系统原理应用到实际嵌入式开发中。

适合希望深入理解RTOS工作原理、提升嵌入式底层开发能力的同学。

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