利用 RTOS的MCU設(shè)計嵌入式系統(tǒng)案例

要求MCU 控制嵌入式系統(tǒng)中越來越多的功能。這些功能通常是實時的，需要定期維護(hù)，以滿足系統(tǒng)對響應(yīng)性，性能或可靠性的要求。通常，實時操作系統(tǒng)（RTOS）用于管理多個實時事件，以確保響應(yīng)能力足以滿足系統(tǒng)要求。然而，并非所有 MCU 都適合托管 RTOS，因此，對允許或便于在特定 MCU 上托管 RTOS 的一些關(guān)鍵功能的審查對實時嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計人員非常有用。

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

管理實時響應(yīng)

隨著控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，使用簡單的控制程序管理各種 MCU 功能變得越來越困難。對于具有不同優(yōu)先級的多個事件，持續(xù)檢查以查看哪些事件需要服務(wù)的單個控制循環(huán)變得難以處理?？刂苹芈窡o法足夠快地到達(dá)每個功能。所需要的是一種實時控制方法，其中所有事件都可以在其所需的響應(yīng)時間內(nèi)得到服務(wù)。

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

現(xiàn)代 MCU 已經(jīng)過優(yōu)化，可以輕松實現(xiàn) RTOS 實施。也許最明顯的是包含專用定時器，通常是與確定處理分配相關(guān)聯(lián)的“定時器滴答”，這使得向時間片分配時間變得容易?？梢耘c其他 MCU 活動并行執(zhí)行任務(wù)的智能外圍設(shè)備也很有用，因為相關(guān)的過程只需要“觸發(fā)”事件，然后可以將控制權(quán)返回給另一個過程。例如，可以通過簡單地編程 DMA 控制器以將 SRAM 數(shù)據(jù)移動到 USB 端口來啟動 USB 傳輸。在清空緩沖區(qū)或發(fā)生錯誤之前，任務(wù)不需要執(zhí)行任何其他活動。

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 實現(xiàn)。

使用高級中斷控制器

由于基于 RTOS 的系統(tǒng)需要快速有效地響應(yīng)實時事件，因此高級中斷系統(tǒng)可能是基于 MCU 的設(shè)計中最重要的硬件元素。例如，如果中斷需要太多周期來響應(yīng)，可能是因為在調(diào)用中斷例程之前需要保存幾個 CPU 寄存器，實時響應(yīng)可能會受到影響。此外，如果中斷控制器只有少量可能的向量位置，軟件可能需要幾個周期才能找出中斷源。例如，中斷信號傳輸完成應(yīng)該很容易與傳輸錯誤區(qū)分開來。

Microchip PIC24F MCU 具有一個高級中斷控制器，具有實現(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)，定時器和多個輸入信號，以提供全面的中斷支持。多達(dá) 118 種不同的中斷源，最多 5 種來自外部源。對于五個周期的固定中斷延遲，中斷響應(yīng)時間對于任何應(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優(yōu)先級，可以輕松區(qū)分最重要的事件和最不重要的事件。當(dāng)對某些事件立即響應(yīng)以及某些事件可以等待服務(wù)至關(guān)重要時，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)計切換到基于 RTOS 的實現(xiàn)時，工程師最常遇到的兩個問題是內(nèi)存占用和低功耗。由于每個 RTOS 過程都需要 SRAM 中的特殊控制塊來存儲過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。幸運的是，隨著上下文切換時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)備上包含越來越多的 SRAM，因為這種資源變得越來越便宜，同時變得越來越有價值。

例如，Atmel SAM4L MCU 在兩個塊中提供 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 塊是在單個周期中訪問，這是一個確定性過程，可簡化基于 RTOS 的系統(tǒng)中的關(guān)鍵延遲和性能計算。將 SRAM 組織為兩個獨立的存儲區(qū)也可以提高基于 DMA 的功能的性能，因為可以將存儲器塊分配給每個存儲區(qū)以優(yōu)化整體訪問帶寬。

圖 2：Atmel SAM4L MCU 全局內(nèi)存分配。

每個 RTOS 進(jìn)程只需要幾百個字節(jié)，即使是復(fù)雜的 RTOS，完整的上下文也只需占 MCU 的幾個百分點。一些設(shè)計人員經(jīng)常忽略的一點是，通過 RTOS 通信，緩沖區(qū)通?？梢源蟠鬁p少，因為響應(yīng)時間更短，更可預(yù)測。對于某些功能，SRAM 節(jié)省的成本將超過上下文切換存儲要求的大小。

大多數(shù) RTOS 實現(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，降低時鐘速度或禁用特定外設(shè)時鐘的模式。 Atmel SAM4L MCU 具有一些專用控制器，可根據(jù)需要輕松調(diào)整電壓電平和時鐘速度，以滿足每個處理線程的要求。多個“空閑模式”也可用于在多個線程共享的幾個標(biāo)準(zhǔn)低功耗設(shè)置之間進(jìn)行選擇。

簡化以太網(wǎng)連接

在具有高電平的實時系統(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?。這大大簡化了以太網(wǎng)流量的控制，因為可以在以太網(wǎng)子系統(tǒng)中控制許多低級細(xì)節(jié)。此外，通過使用連接開發(fā)套件可以簡化 RTOS 環(huán)境中以太網(wǎng)連接的實現(xiàn)，如圖 3 所示，該套件可與 Micrium RTOS 捆綁在一起。 MCU，開發(fā)板和 Micrium uC/OS-II 或 uC/OS-II RTOS 的這種組合提供了一個經(jīng)過驗證的平臺，現(xiàn)有的示例代碼可用作實現(xiàn)定制設(shè)計的第一步。

Micrium RTOS 還提供各種中間件模塊，進(jìn)一步簡化了連接應(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)也能輕松實現(xiàn)。示例設(shè)計的可用性意味著可以在創(chuàng)紀(jì)錄的時間內(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，如果多個通信通道競爭 CPU 周期，則效率會受到顯著影響。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具有八個可以并行工作的獨立處理器（L/S/M/D 1 和 2）。使用 RTOS（如 TI-RTOS）時，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)省處理時間，因為 DSP 可以解決大多數(shù)以 DSP 為中心的設(shè)計所需的大量數(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，并簡化基于 RTOS 的設(shè)計的開發(fā)。
編輯：hfy