实时操作系统(RTOS)为复杂嵌入式应用提供任务管理、内存分配和中断处理等基础服务。根据Eembc的行业调查，约78%的专业嵌入式项目采用RTOS作为软件基础，其中FreeRTOS以38%的市场份额居首。

RTOS核心概念与实时性分级

实时系统根据时效性要求分为硬实时（超时即失效，如汽车刹车控制）、软实时（性能下降但系统仍可用，如视频播放）和固实时（介于二者之间，如工业通信协议）。关键指标包括任务切换时间、中断延迟和最大关中断时间。

任务调度算法决定系统实时性。优先级调度确保高优先级任务优先运行，分为不可抢占式（Cooperative）和可抢占式（Preemptive）。时间片轮转为相同优先级任务分配CPU时间。优先级继承解决优先级反转问题，如火星探路者案例中的系统复位故障。

FreeRTOS：轻量高效的经典选择

FreeRTOS作为最流行的开源RTOS，最小内核仅需6KB ROM和1KB RAM，支持40多种处理器架构。其核心特性包括：任务管理（最多255个优先级）、队列机制（任务间通信）、软件定时器（低精度定时需求）和内存管理（提供5种heap方案）。

FreeRTOS的典型配置在Cortex-M3上可实现小于100个时钟周期的任务切换时间和小于20个时钟周期的中断延迟。Amazon将其收购后推出的FreeRTOS Kernel v11增加了对称多处理(SMP)支持，能更好地利用多核MCU。

Zephyr：面向物联网的现代化RTOS

Linux基金会托管的Zephyr项目专为资源受限物联网设备设计，支持超过250种开发板。其架构特点包括：高度模块化（通过Kconfig选择性编译组件）、设备树支持（硬件抽象层）、完整的网络协议栈（LwM2M、CoAP、MQTT）和严格的安全特性（TLS/DTLS加密）。

Zephyr 3.0引入的多核调度能力，可在异构系统（Cortex-M4 + Cortex-M0+)间高效分配任务。其电源管理框架支持设备级、总线级和CPU级多种休眠模式，实测可使穿戴设备续航提升25%。

μC/OS-III：商业级可靠性与功能安全

Micrium开发的μC/OS-III面向要求高可靠性的工业、医疗和汽车领域，提供完整的时间确定性（所有系统调用执行时间恒定）、运行时可验证（任务栈使用率检测）和代码审计报告（满足FDA和IEC认证要求）。

功能安全方面，μC/OS-III已通过IEC 61508 SIL 3、ISO 26262 ASIL D和EN 50128认证，提供证书和认证包。其内核感知调试功能可实时可视化任务状态、信号量和消息队列，极大简化系统集成和故障排查。

性能基准测试与选型建议

实际测试数据显示，在100MHz Cortex-M4平台上，任务切换时间FreeRTOS为1.2μs，Zephyr为1.8μs，μC/OS-III为1.5μs；中断延迟分别为1.8μs、2.3μs和2.0μs。内存占用方面（最小配置），FreeRTOS为8KB/2KB，Zephyr为12KB/4KB，μC/OS-III为18KB/6KB（ROM/RAM）。

选型建议：成本敏感型消费电子优选FreeRTOS；物联网设备特别是需要丰富网络协议的选择Zephyr；功能安全苛求场景如工业控制、医疗设备应选择μC/OS-III或经过安全认证的FreeRTOS版本。