RTOS基礎(chǔ)知識
RTOS
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是一種操作系統(tǒng)(OS),旨在提供實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)程數(shù)據(jù),通常沒有緩沖延遲。
RTOS中的關(guān)鍵因素是最小的中斷延遲和最小的線程切換延遲。RTOS的價(jià)值在于它的響應(yīng)速度或可預(yù)測性,而不是它在給定時(shí)間段內(nèi)可以執(zhí)行的工作量。
對于嵌入式設(shè)備,一般規(guī)則是當(dāng)應(yīng)用進(jìn)程需要執(zhí)行多個(gè)簡單操作時(shí)使用RTOS。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有以下目標(biāo):
低延遲。
決定論:需要知道處理事情需要多長時(shí)間才能確保滿足最后期限。
結(jié)構(gòu)化軟件:使用RTOS,可以以結(jié)構(gòu)化的方式分而治之。直接向應(yīng)用進(jìn)程添加其他組件。
可擴(kuò)展性:RTOS必須能夠從簡單的應(yīng)用進(jìn)程擴(kuò)展到具有堆棧、驅(qū)動進(jìn)程、文檔系統(tǒng)等的復(fù)雜應(yīng)用進(jìn)程。
卸載開發(fā):RTOS管理系統(tǒng)的許多方面,例如,RTOS與調(diào)度一起,通常處理電源管理,中斷表管理,內(nèi)存管理,異常處理等。
線程
基于RTOS的應(yīng)用進(jìn)程中的典型線程:
中斷服務(wù)例程(ISR):由硬件中斷啟動的線程。ISR運(yùn)行直至完成。ISR都共享同一堆棧。
任務(wù):在等待事件發(fā)生時(shí)可以阻塞的線程。傳統(tǒng)上,任務(wù)是長壽命線程(與運(yùn)行直至完成的ISR相反)。每個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧,可以讓它長壽。
Idle:優(yōu)先級最低的線程,僅在沒有其他線程準(zhǔn)備好執(zhí)行時(shí)運(yùn)行。通常,空閑只是具有盡可能低優(yōu)先級的特殊任務(wù)。
調(diào)度進(jìn)程
每個(gè)RTOS的核心都有一個(gè)調(diào)度進(jìn)程。調(diào)度進(jìn)程負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中線程的執(zhí)行。調(diào)度進(jìn)程有兩種主要管理方式:搶占式調(diào)度和時(shí)間片調(diào)度。
搶占式調(diào)度是最常見的RTOS調(diào)度進(jìn)程類型。TI-RTOS和FreeRTOS都有搶占式調(diào)度進(jìn)程。使用搶占式調(diào)度進(jìn)程,正在運(yùn)行的線程將一直持續(xù)到
完成(例如,ISR完成)。
較高優(yōu)先級的線程準(zhǔn)備就緒(在這種情況下,優(yōu)先級較高的線程會搶占優(yōu)先級較低的線程)。
線程在等待資源時(shí)放棄處理器(例如,任務(wù)調(diào)用sleep())。
時(shí)間片調(diào)度保證每個(gè)線程都有一個(gè)要執(zhí)行的槽。這種類型的調(diào)度通常不利于實(shí)時(shí)應(yīng)用。如果需要,TI-RTOS內(nèi)核支持使用任務(wù)進(jìn)行時(shí)間切片調(diào)度。
其他關(guān)鍵術(shù)語
線程安全:如果一段代碼以保證多個(gè)線程同時(shí)正確訪問(讀取、寫入)的方式操作共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),則該代碼段是線程安全的。
Blocked:如果任務(wù)正在等待資源且未消耗任何CPU,則阻止該任務(wù)。例如,如果任務(wù)調(diào)用Task_sleep()或Semaphore_pend()(非零超時(shí)且信號量不可用),則該任務(wù)將被阻止,并允許另一個(gè)線程運(yùn)行。
裸機(jī):不適用RTOS的應(yīng)用進(jìn)程的公用名。
裸機(jī)與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
典型的裸機(jī)應(yīng)用進(jìn)程通??煞譃槿齻€(gè)關(guān)鍵部分:
初始化:初始化main()中的硬件和軟件組件。
超級循環(huán)狀態(tài)機(jī):用于管理應(yīng)用進(jìn)程的代碼。這些操作基于中斷(例如,收到SPI數(shù)據(jù)包或計(jì)時(shí)器過期)或輪詢的結(jié)果。
ISR:由外圍設(shè)備(例如UART)、定時(shí)器或其他特定于設(shè)備的項(xiàng)目(例如異?;蚨嗪?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信)的中斷執(zhí)行的代碼。
裸機(jī)應(yīng)用進(jìn)程有其一席之地。它們通常很小,速度快,并且通過簡單的應(yīng)用進(jìn)程相對容易理解。一旦需要更復(fù)雜的邏輯,RTOS就開始大放異彩。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組件
計(jì)劃進(jìn)程:保證最高優(yōu)先級線程正在運(yùn)行的搶占式計(jì)劃進(jìn)程。
通信機(jī)制:信號量、消息隊(duì)列、隊(duì)列等。
關(guān)鍵區(qū)域機(jī)制:互斥體、門、鎖等。
計(jì)時(shí)服務(wù):時(shí)鐘、定時(shí)器等。
電源管理:對于低功耗設(shè)備,電源管理通常是RTOS的一部分,因?yàn)樗涝O(shè)備的狀態(tài)。
內(nèi)存管理:可變大小的堆、固定大小的堆等。
協(xié)議棧:藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)等。
文檔系統(tǒng):FatFs等。
設(shè)備管理:異常處理、啟動等。
POSIX
POSIX(Portable Operating System Interface):可移植操作系統(tǒng)接口
SimpleLink SDK在TI-RTOS和FreeRTOS之上提供POSIX支持。這允許應(yīng)用進(jìn)程獨(dú)立于底層RTOS。
POSIX API是底層實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之上的一個(gè)小填充碼。創(chuàng)建POSIX線程時(shí),將創(chuàng)建基礎(chǔ)TI-RTOS(或FreeRTOS)任務(wù)。同樣,在創(chuàng)建POSIX線程信號量時(shí),將創(chuàng)建TI-RTOS(或FreeRTOS)信號量。
POSIX支持的一個(gè)很好的功能是能夠從網(wǎng)絡(luò)上獲取基于POSIX的代碼并快速使其正常工作。
POSIX不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一個(gè)操作系統(tǒng)兼容性層,允許應(yīng)用進(jìn)程在操作系統(tǒng)之間輕松移植。
RTOS線程通信
所有RTOS都提供標(biāo)準(zhǔn)的通信機(jī)制,如信號量、互斥鎖、消息隊(duì)列、鏈表等。
信號量
信號量允許資源管理。任務(wù)可以在sem_wait()上阻塞,直到資源變得可用(通過sem_post())。一個(gè)常見的用例是Hwi接收數(shù)據(jù)并發(fā)布信號量,以便任務(wù)可以處理它。這是可取的,因?yàn)樗梢宰畲笙薅鹊販p少中斷的持續(xù)時(shí)間。大多數(shù)RTOS都支持二進(jìn)制和計(jì)數(shù)信號量。
消息隊(duì)列
消息隊(duì)列對于在線程之間發(fā)送數(shù)據(jù)非常有用。消息隊(duì)列可以配置為發(fā)送/接收任何大小的用戶定義的消息。在這里,一個(gè)任務(wù)正在向另一個(gè)任務(wù)發(fā)送消息:
當(dāng)希望將特定功能集中到單個(gè)任務(wù)中時(shí),消息隊(duì)列非常有用。所有其他線程都可以將消息發(fā)送到集中式任務(wù)進(jìn)行處理。消息隊(duì)列以線程安全的方式處理消息。
POSIX支持層中的消息隊(duì)列是創(chuàng)建在TI-RTOS中的Mailboxes和FreeRTOS中的隊(duì)列之上的。
執(zhí)行
一個(gè)搶占式的調(diào)度進(jìn)程在運(yùn)行。假設(shè)以下線程是在main()中創(chuàng)建的:
ISRX:中斷服務(wù)例程
MidA:在main()中創(chuàng)建第一個(gè)優(yōu)先級為4
MidB:在main()中創(chuàng)建第二個(gè)優(yōu)先級為4
High:在main()中創(chuàng)建最后一個(gè)優(yōu)先級為8
一旦內(nèi)核的調(diào)度進(jìn)程啟動(在本例中為main()中的BIOS_start()),所有任務(wù)都已準(zhǔn)備好運(yùn)行,首先運(yùn)行的是High,因?yàn)樗哂凶罡邇?yōu)先級。
1.ISRX斷言,因?yàn)樗鼤屨妓腥蝿?wù)。High現(xiàn)在處于搶占狀態(tài)。
2.ISRX完成后,High將再次開始運(yùn)行,直到它在Task_sleep()(或某些阻塞API)上阻塞?,F(xiàn)在,MidA可以運(yùn)行了。
3.MidA一直運(yùn)行,直到它遇到阻塞調(diào)用(比如Semaphore_pend())?,F(xiàn)在,MidB可以運(yùn)行了。
4.MidB一直運(yùn)行到High取消阻塞(假設(shè)Task_sleep()已過期)。MidB現(xiàn)在被搶占了。
5.High將一直運(yùn)行,直到ISRX被斷言并搶占High。注意:現(xiàn)在有兩個(gè)任務(wù)被搶占。
6.MidA準(zhǔn)備就緒(假設(shè)ISRX發(fā)布了它被阻止的信號量)。MidA不會運(yùn)行,因?yàn)橛懈邇?yōu)先級的線程正在運(yùn)行。
7.ISRX完成,因此High再次運(yùn)行,然后再次阻塞,因此MidB再次運(yùn)行,直到它阻塞?,F(xiàn)在MidA可以運(yùn)行,因?yàn)闆]有更高優(yōu)先級的任務(wù)正在運(yùn)行。注意:MidA必須等到MidB完成后,因?yàn)楫?dāng)MidA準(zhǔn)備就緒時(shí),MidB正在運(yùn)行。
8.MidA阻塞,現(xiàn)在沒有線程正在運(yùn)行或準(zhǔn)備運(yùn)行,因此Idle運(yùn)行。
9.MidB取消阻塞并運(yùn)行。
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