利用 RTOS的MCU設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)案例

要求MCU 控制嵌入式系統(tǒng)中越來(lái)越多的功能。這些功能通常是實(shí)時(shí)的，需要定期維護(hù)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)性，性能或可靠性的要求。通常，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）用于管理多個(gè)實(shí)時(shí)事件，以確保響應(yīng)能力足以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。然而，并非所有 MCU 都適合托管 RTOS，因此，對(duì)允許或便于在特定 MCU 上托管 RTOS 的一些關(guān)鍵功能的審查對(duì)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員非常有用。

本文將快速回顧現(xiàn)代 MCU 上可用的一些關(guān)鍵功能，這些功能有助于運(yùn)行需要 RTOS 的嵌入式系統(tǒng)。這將有助于設(shè)計(jì)人員更有效地選擇 MCU 作為 RTOS 主機(jī)，并使用該 MCU 設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)。

管理實(shí)時(shí)響應(yīng)

隨著控制系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，使用簡(jiǎn)單的控制程序管理各種 MCU 功能變得越來(lái)越困難。對(duì)于具有不同優(yōu)先級(jí)的多個(gè)事件，持續(xù)檢查以查看哪些事件需要服務(wù)的單個(gè)控制循環(huán)變得難以處理。控制回路無(wú)法足夠快地到達(dá)每個(gè)功能。所需要的是一種實(shí)時(shí)控制方法，其中所有事件都可以在其所需的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)得到服務(wù)。

改善實(shí)時(shí)響應(yīng)的另一個(gè)選擇是使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)或 RTOS。在該方法中，可以為控制系統(tǒng)中的每個(gè)任務(wù)分配 MCU 處理周期的時(shí)間片或部分。如果該功能不需要當(dāng)前分配的時(shí)間，它可以將時(shí)間“翻轉(zhuǎn)”到另一個(gè)功能，這樣就不會(huì)丟失寶貴的處理周期。如果沒(méi)有功能需要維修空閑過(guò)程（通常在低功率模式下），則可以啟動(dòng)以節(jié)省電力?？梢哉{(diào)整分配的時(shí)間片以確?？捎玫淖钚r(shí)間量滿(mǎn)足所需的響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)正確分配模數(shù)轉(zhuǎn)換器，USB 端口和濾波器處理功能，系統(tǒng)將以可預(yù)測(cè)和有效的方式運(yùn)行。

現(xiàn)代 MCU 已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以輕松實(shí)現(xiàn) RTOS 實(shí)施。也許最明顯的是包含專(zhuān)用定時(shí)器，通常是與確定處理分配相關(guān)聯(lián)的“定時(shí)器滴答”，這使得向時(shí)間片分配時(shí)間變得容易?？梢耘c其他 MCU 活動(dòng)并行執(zhí)行任務(wù)的智能外圍設(shè)備也很有用，因?yàn)橄嚓P(guān)的過(guò)程只需要“觸發(fā)”事件，然后可以將控制權(quán)返回給另一個(gè)過(guò)程。例如，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地編程 DMA 控制器以將 SRAM 數(shù)據(jù)移動(dòng)到 USB 端口來(lái)啟動(dòng) USB 傳輸。在清空緩沖區(qū)或發(fā)生錯(cuò)誤之前，任務(wù)不需要執(zhí)行任何其他活動(dòng)。

讓我們仔細(xì)看看一些最重要的支持 RTOS 的硬件元素，以便更好地理解我們?nèi)绾蝺?yōu)化基于 MCU 的 RTOS 實(shí)現(xiàn)。

使用高級(jí)中斷控制器

由于基于 RTOS 的系統(tǒng)需要快速有效地響應(yīng)實(shí)時(shí)事件，因此高級(jí)中斷系統(tǒng)可能是基于 MCU 的設(shè)計(jì)中最重要的硬件元素。例如，如果中斷需要太多周期來(lái)響應(yīng)，可能是因?yàn)樵谡{(diào)用中斷例程之前需要保存幾個(gè) CPU 寄存器，實(shí)時(shí)響應(yīng)可能會(huì)受到影響。此外，如果中斷控制器只有少量可能的向量位置，軟件可能需要幾個(gè)周期才能找出中斷源。例如，中斷信號(hào)傳輸完成應(yīng)該很容易與傳輸錯(cuò)誤區(qū)分開(kāi)來(lái)。

Microchip PIC24F MCU 具有一個(gè)高級(jí)中斷控制器，具有實(shí)現(xiàn)基于 MCU 的 RTOS 所需的一些功能。 PIC24F 和 dsPIC MCU 系列的框圖如圖 1 所示。中斷控制器在圖中間以灰色顯示，連接所有外設(shè)，定時(shí)器和多個(gè)輸入信號(hào)，以提供全面的中斷支持。多達(dá) 118 種不同的中斷源，最多 5 種來(lái)自外部源。對(duì)于五個(gè)周期的固定中斷延遲，中斷響應(yīng)時(shí)間對(duì)于任何應(yīng)用都足夠快。

圖 1：Microchip PIC24 和 dsPIC DSC 系列模塊圖。

PIC24 和 dsPIC DSC MCU 中斷控制器還支持七個(gè)優(yōu)先級(jí)，可以輕松區(qū)分最重要的事件和最不重要的事件。當(dāng)對(duì)某些事件立即響應(yīng)以及某些事件可以等待服務(wù)至關(guān)重要時(shí)，這尤其有用。例如，采集數(shù)據(jù)通常比處理數(shù)據(jù)更重要，因此采集事件的優(yōu)先級(jí)通常高于處理事件。

內(nèi)存占用和低功耗

當(dāng)從純粹的中斷或控制環(huán)路設(shè)計(jì)切換到基于 RTOS 的實(shí)現(xiàn)時(shí)，工程師最常遇到的兩個(gè)問(wèn)題是內(nèi)存占用和低功耗。由于每個(gè) RTOS 過(guò)程都需要 SRAM 中的特殊控制塊來(lái)存儲(chǔ)過(guò)程中的各種聲明信息，因此工程師經(jīng)常擔(dān)心它們將耗盡 SRAM 并因其應(yīng)用而“缺乏”內(nèi)存。幸運(yùn)的是，隨著上下文切換時(shí)間和控制塊大小的優(yōu)化，RTOS 內(nèi)存占用量不斷提高。此外，MCU 在設(shè)備上包含越來(lái)越多的 SRAM，因?yàn)檫@種資源變得越來(lái)越便宜，同時(shí)變得越來(lái)越有價(jià)值。

例如，Atmel SAM4L MCU 在兩個(gè)塊中提供 32 KB 或 64 KB 的 SRAM-HRAMC0 和 HRAMC1- 如圖 2 中的系統(tǒng)內(nèi)存分配圖所示。這些 SRAM 塊是在單個(gè)周期中訪(fǎng)問(wèn)，這是一個(gè)確定性過(guò)程，可簡(jiǎn)化基于 RTOS 的系統(tǒng)中的關(guān)鍵延遲和性能計(jì)算。將 SRAM 組織為兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)也可以提高基于 DMA 的功能的性能，因?yàn)榭梢詫⒋鎯?chǔ)器塊分配給每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)以?xún)?yōu)化整體訪(fǎng)問(wèn)帶寬。

圖 2：Atmel SAM4L MCU 全局內(nèi)存分配。

每個(gè) RTOS 進(jìn)程只需要幾百個(gè)字節(jié)，即使是復(fù)雜的 RTOS，完整的上下文也只需占 MCU 的幾個(gè)百分點(diǎn)。一些設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽略的一點(diǎn)是，通過(guò) RTOS 通信，緩沖區(qū)通?？梢源蟠鬁p少，因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間更短，更可預(yù)測(cè)。對(duì)于某些功能，SRAM 節(jié)省的成本將超過(guò)上下文切換存儲(chǔ)要求的大小。

大多數(shù) RTOS 實(shí)現(xiàn)也完全支持低功耗模式。這意味著可以使用降低內(nèi)部調(diào)節(jié)電壓，降低時(shí)鐘速度或禁用特定外設(shè)時(shí)鐘的模式。 Atmel SAM4L MCU 具有一些專(zhuān)用控制器，可根據(jù)需要輕松調(diào)整電壓電平和時(shí)鐘速度，以滿(mǎn)足每個(gè)處理線(xiàn)程的要求。多個(gè)“空閑模式”也可用于在多個(gè)線(xiàn)程共享的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)低功耗設(shè)置之間進(jìn)行選擇。

簡(jiǎn)化以太網(wǎng)連接

在具有高電平的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中速度連接要求，例如以太網(wǎng)，以太網(wǎng)很重要的硬件，但不應(yīng)忽視使其易于實(shí)施的支持“掛鉤”。例如，瑞薩 RX63N 具有先進(jìn)的以太網(wǎng)控制器和專(zhuān)用的以太網(wǎng) DMA 控制器，可直接管理控制以太網(wǎng)傳輸?shù)拿枋龇?。這大大簡(jiǎn)化了以太網(wǎng)流量的控制，因?yàn)榭梢栽谝蕴W(wǎng)子系統(tǒng)中控制許多低級(jí)細(xì)節(jié)。此外，通過(guò)使用連接開(kāi)發(fā)套件可以簡(jiǎn)化 RTOS 環(huán)境中以太網(wǎng)連接的實(shí)現(xiàn)，如圖 3 所示，該套件可與 Micrium RTOS 捆綁在一起。 MCU，開(kāi)發(fā)板和 Micrium uC/OS-II 或 uC/OS-II RTOS 的這種組合提供了一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的平臺(tái)，現(xiàn)有的示例代碼可用作實(shí)現(xiàn)定制設(shè)計(jì)的第一步。

Micrium RTOS 還提供各種中間件模塊，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了連接應(yīng)用。例如，IPv6 支持使得即使是最復(fù)雜的以太網(wǎng)子系統(tǒng)也能輕松實(shí)現(xiàn)。示例設(shè)計(jì)的可用性意味著可以在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)完成演示系統(tǒng)的工作。

DSP 應(yīng)用的高效處理

在某些應(yīng)用中，可以使用 RTOS 確保盡可能高效地完成處理。例如，DSP 應(yīng)用程序可以處理饑餓，如果多個(gè)通信通道競(jìng)爭(zhēng) CPU 周期，則效率會(huì)受到顯著影響。例如，德州儀器（TI）TMS320C66xx DSP 具有顯著的處理能力。圖 4 中所示的處理核心中只有一個(gè)具有八個(gè)可以并行工作的獨(dú)立處理器（L/S/M/D 1 和 2）。使用 RTOS（如 TI-RTOS）時(shí)，可以更輕松地管理通信功能，以限制所需的 CPU 周期數(shù)。這樣可以節(jié)省處理時(shí)間，因?yàn)?DSP 可以解決大多數(shù)以 DSP 為中心的設(shè)計(jì)所需的大量數(shù)據(jù)。

圖 4：德州儀器（TI）TMS320C66xx DSP 提供顯著的處理性能。

結(jié)論

通常，嵌入式系統(tǒng)需要在指定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)事件，在這些系統(tǒng)中，托管在 MCU 上的 RTOS 是可能的解。確保您了解在 MCU 上托管 RTOS 的要求，以便您可以選擇最佳的 MCU，并簡(jiǎn)化基于 RTOS 的設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)。
編輯：hfy