一種實現(xiàn)亞毫秒定時分辨率的RTOS新方法

你在使用實時操作系統(tǒng)（RTOS）時是否發(fā)現(xiàn)無法將任務(wù)調(diào)度或延遲精度降到毫秒以下？你可能不得不在RTOS之外編寫大量應(yīng)用代碼。雖然這種方式可行，但這會讓你懷疑應(yīng)用程序是否滿足其截止期限，是否可維護(hù)和可擴(kuò)展。RTOS不應(yīng)該能夠管理整個應(yīng)用程序的時間嗎，不管這個時間是一秒還是一微秒？

對于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的開發(fā)和管理人員來說，平衡時間精度和能源效率可能是一項持續(xù)的斗爭。隨著應(yīng)用的發(fā)展，無論是在汽車、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療設(shè)備還是工業(yè)自動化領(lǐng)域，對精確定時控制的需求都在增長。雖然傳統(tǒng)的RTOS解決方案在管理實時任務(wù)方面很有效，但在這兩個關(guān)鍵領(lǐng)域往往存在不足。

1. 傳統(tǒng)RTOS的不足

首先，傳統(tǒng)RTOS有精度限制?；诘未鸬南到y(tǒng)不能提供超出滴答（Tick）間隔（如1毫秒）的時間粒度。這種限制影響了執(zhí)行超精細(xì)定時操作的能力，例如精密傳感器讀數(shù)或先進(jìn)機(jī)器人的高分辨率控制。事實上，如果不仔細(xì)，你甚至可能任務(wù)時序中注入抖動，從而破壞系統(tǒng)的實時性能！

其次，基于滴答的RTOS能效低！即使沒有任務(wù)調(diào)度，周期系統(tǒng)滴答中斷也會使CPU保持活動狀態(tài)，從而導(dǎo)致能源浪費，這在電池供電和低功耗設(shè)備中尤為嚴(yán)重。雖然一些RTOS試圖通過引入tickless省電模式來克服這個缺陷，但這些解決方案更多的是權(quán)宜之計，而不是完整的功能。

這些限制迫使開發(fā)人員采用效率低下的解決方案，例如輪詢硬件計時器或使用特定于目標(biāo)的技術(shù)來實現(xiàn)更高的分辨率和更低的功耗，這種方法使開發(fā)過程復(fù)雜化，降低了軟件的可移植性和可維護(hù)性。

本文中，我們將探索一種新的機(jī)制來精確地調(diào)度低于一毫秒的任務(wù)，這種機(jī)制可以提高應(yīng)用程序的實時性能，同時提高能效，其好處來自于利用周期精度定時的新RTOS實現(xiàn)。

2. 從基于滴答的調(diào)度到基于周期的調(diào)度

傳統(tǒng)的RTOS使用周期性的系統(tǒng)滴答來跟蹤時間和調(diào)度任務(wù)。例如，大多數(shù)RTOS，如FreeRTOS、Zephyr和embOS-Base，默認(rèn)使用1毫秒的滴答間隔。這個間隔依賴于每毫秒產(chǎn)生一次中斷的計時器。所有時間相關(guān)的操作（任務(wù)延遲、超時和軟件計時器）都與滴答對齊。如果我們使用SEGGER SystemView這樣的工具來記錄和分析應(yīng)用程序的運行時行為，將看到類似圖1所示的內(nèi)容。

圖1：使用周期滴答來跟蹤系統(tǒng)時間的傳統(tǒng)RTOS

如圖所示，系統(tǒng)每隔一毫秒就會中斷一次應(yīng)用，如果系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)并且沒有其他的工作要做，它也會被喚醒以增加計數(shù)并返回睡眠狀態(tài)！

基于滴答的設(shè)計限制了計時精度，并引入了延遲，因為不能以比滴答間隔更細(xì)的粒度調(diào)度任務(wù)，這是我在許多應(yīng)用中遇到的一個問題，它迫使你思考RTOS之外的實現(xiàn)。

基于周期的調(diào)度通過用單次硬件定時器(single-shot hardware timer)代替周期滴答中斷消除了這種約束。計時器只在需要時產(chǎn)生中斷，而非每毫秒喚醒CPU，從而允許將事件調(diào)度精確到微秒或CPU周期。這種方法提高了精度，減少了CPU的活動，節(jié)約了能源。

讓我們來看一個例子。考慮一個需要持續(xù)4.7毫秒的任務(wù)延遲。在擁有1毫秒滴答間隔的RTOS中，延遲要么提前結(jié)束（4毫秒），要么延長（5毫秒），具體取決于滴答計時。使用基于周期的調(diào)度可以實現(xiàn)精確的4.7毫秒延遲，因為它不再依賴于滴答間隔。

3. embOS-Ultra：高精度和高效率的技術(shù)解決方案

如果調(diào)查當(dāng)今的RTOS市場，你會發(fā)現(xiàn)SEGGER的embOS-Ultra是唯一支持基于周期調(diào)度的RTOS。因此，我們將關(guān)注embOS-Ultra如何通過引入周期分辨率定時來解決精度和效率方面的挑戰(zhàn)，以及這種創(chuàng)新方法如何改善應(yīng)用。

讓我們來分析一下embOS-Ultra是如何在不增加不必要復(fù)雜性的情況下解決精度和效率問題。

通過單次計時器提高能效

通過移除周期滴答，embOS-Ultra顯著降低了CPU負(fù)載。即使沒有待處理的工作，傳統(tǒng)的RTOS也會在每個滴答喚醒CPU，這種行為增加了功耗，因為CPU必須保存其當(dāng)前狀態(tài)，處理中斷，并恢復(fù)其狀態(tài)，這些不必要的CPU周期消耗了能量。

embOS-Ultra的單次計時器僅在特定事件發(fā)生時喚醒CPU，使系統(tǒng)長時間處于低功耗狀態(tài)。這一特性對于低功耗和電池供電的應(yīng)用尤其有利，例如可穿戴設(shè)備或遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)傳感器，在這些應(yīng)用中，節(jié)省的每一點能量都將延長運行時間。然而，即使是連接到恒定電源的設(shè)備也可以通過降低其整體能量配置和減少對電網(wǎng)的需求而受益。

在許多微控制器架構(gòu)中，計時器可以配置為各種模式。EmbOS-Ultra利用定時器計數(shù)到零或到指定值的模式，在需要時觸發(fā)中斷。這種靈活性使開發(fā)人員能夠精確地控制時間事件，而不依賴于周期滴答。正如想象的那樣，允許計時器自由計數(shù)用于調(diào)度，比計數(shù)為零后重置更有好處。

維護(hù)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性

你可能會認(rèn)為，雖然使用單個計時器來提供高分辨率、亞毫秒級的調(diào)度聽起來很棒，但丟失系統(tǒng)滴答將破壞應(yīng)用程序。好消息是它不會，embOS-Ultra使用兩個硬件計時器。一個計時器用于長期連續(xù)運行而不產(chǎn)生中斷。第二個計時器，即我們在前一節(jié)中討論的單次計時器，用于任務(wù)調(diào)度。

這意味著沒有復(fù)雜的算法在后臺運行，試圖確定自系統(tǒng)啟動以來已經(jīng)過了多少毫秒。誠實地說：我們大多數(shù)人都利用系統(tǒng)滴答來提供時間戳、計算過濾器和執(zhí)行其他日?；顒?。如果從RTOS中刪除它，我們的開發(fā)將變得更加困難。

添加第二個計時器似乎會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和能效，但事實并非如此。如今，大多數(shù)32位微控制器擁有多個計時器，而且與CPU相比，計數(shù)器使用的電流很少。使用第二計時器的權(quán)衡仍然確保我們最大限度地減少能耗，同時保持系統(tǒng)實時性能的長期穩(wěn)定性。

4. 基于周期調(diào)度的應(yīng)用

了解了周期調(diào)度如何工作后，我們來研究一個示例。SEGGER的網(wǎng)站上提供了一個live comparison示例(https://www.segger.com/products/rtos/embos/editions/embos-ultra/#live-comparison)，模擬滴答調(diào)度和周期調(diào)度行為。我建議嘗試一下，獲得一些實際操作經(jīng)驗。

Live comparison示例允許你通過print語句查看每秒產(chǎn)生了多少次滴答。測試應(yīng)用包含兩個任務(wù)：一個201毫秒的任務(wù)和一個50毫秒的任務(wù)?；诘未鸬恼{(diào)度器，每秒1000個節(jié)拍。如果使用基于周期的調(diào)度來模擬相同的應(yīng)用程序，則每秒只能獲得24 - 25個節(jié)拍。

遺憾的是，對于模擬程序，無法使用SystemView來記錄和分析應(yīng)用程序行為，因此，我使用live comparison示例運行在開發(fā)板上來分析周期調(diào)度。結(jié)果如圖2所示：

圖2：圖1所示的相同應(yīng)用程序的基于周期調(diào)度實現(xiàn)

如果查看圖2中分析窗口底部的計時差異，你將看到系統(tǒng)的滴答間隔不是固定的。只有在必要時才有一個滴答，在圖2的底部可以看到，滴答之間有49.9毫秒的間隔，然后是16.9毫秒的延遲，以此類推。這是基于周期的計時！基于周期的調(diào)度應(yīng)用程序每秒只有24 - 25個滴答，具體取決于任務(wù)的截止時限。

5. 使用基于周期的調(diào)度，同時保持向后兼容性

遷移到新的RTOS帶來的風(fēng)險和復(fù)雜性，可能是開發(fā)人員和管理人員非常關(guān)心的問題。embOS-Ultra通過在提供擴(kuò)展功能的同時保持與現(xiàn)有API兼容來解決這個問題。

首先，對使用embOS-Base或其他滴答RTOS API的應(yīng)用程序，可以在embOS-Ultra中繼續(xù)發(fā)揮預(yù)期的作用。embOS-Ultra中保留了基于毫秒的計時功能，確保已有代碼無需修改。如果使用的是embOS-Base，則API直接兼容。如果使用其它RTOS，你可能會有一天左右的時間將RTOS調(diào)用更新為embOS-Ultra。

其次，對于需要更高精度的開發(fā)人員，embOS-Ultra引入了擴(kuò)展的API，例如用于微秒延遲的OS_TASK_Delay_us()或用于周期調(diào)度的OS_TASK_Delay_Cycles()。這些函數(shù)與傳統(tǒng)API調(diào)用共存，允許開發(fā)人員在不修改整個代碼庫的情況下逐步采用高級功能。

讓我們來看一個例子。假設(shè)我們想每1,000,000個周期向終端發(fā)送一次打印“Hello World!”，我可能會用下面的語法創(chuàng)建一個名為Hello的RTOS任務(wù)：

OS_TASK_Delay_Cycles以周期方式指定了任務(wù)掛起操作的最小時間間隔，因此，當(dāng)調(diào)用OS_TASK_Delay_Cycles時，如果系統(tǒng)周期計數(shù)為1,000,000，則100萬周期的延遲將在系統(tǒng)周期計數(shù)為2,000,000時到期。

注意，作為開發(fā)人員，你可以控制單個周期所代表的時間間隔。它可以是單個CPU周期，也可以是更長的時間，這取決于你如何為使用的計時器配置時鐘分頻器。好消息是，SEGGER為各種微控制器提供了許多移植實現(xiàn)，所以你不必自己編寫這些；只有當(dāng)默認(rèn)值不能滿足需要時，才需要知道如何通過API來調(diào)整。

這種雙重計時方法意味著工程師不必在傳統(tǒng)實現(xiàn)和高精度之間做出選擇，他們可以在同一應(yīng)用中同時使用這兩種方法。無論是從embOS-Base還是其他基于滴答的系統(tǒng)（如CMSIS-RTOS）遷移，開發(fā)人員都可以很方便的使用embOS-Ultra，因為必要的應(yīng)用更改很小且簡單。

6. 下一步工作

基于周期的調(diào)度代表了一種技術(shù)進(jìn)步，它解決了開發(fā)人員和管理人員在當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)中面臨的核心挑戰(zhàn)，在實現(xiàn)微秒精度的同時最大限度地提高能效。通過消除傳統(tǒng)的系統(tǒng)滴答，并提供靈活的、基于周期的方法，embOS-Ultra提供了一種精確、節(jié)能且與現(xiàn)有RTOS設(shè)置兼容的解決方案。

基于周期的調(diào)度為希望在沒有復(fù)雜遷移風(fēng)險的情況下提高系統(tǒng)的性能和能源配置的嵌入式專業(yè)人員提供了一種實用而先進(jìn)的替代方案。你可以通過下列步驟了解更多關(guān)于周期調(diào)度的信息。

首先，查看embOS-Ultra RTOS手冊(https://www.segger.com/downloads/embos/UM01076_embOS_Ultra.pdf)，它包含了許多示例，描述了高精度和周期調(diào)度如何工作。

接下來，可以下載并試用基于SEGGER的示例仿真項目(https://www.segger.com/products/rtos/embos/editions/embos-ultra/#live-comparison)，你可以使用它來測試embOS-Base和embOS-Ultra之間的差異，甚至可以在開發(fā)板上嘗試。

最后，確認(rèn)了更精確的計時和節(jié)能的好處后，即可在嵌入式系統(tǒng)采用基于周期計時功能了。