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第4章 RTX操作系统介绍

2016-10-2 09:45:37  1090
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本章节介绍一下RTX操作系统,让大家对RTX有一个整体的了解,Keil RTX 是免版税的确定性实时操作系统,适用于 ARM 和 Cortex-M 设备。
    4.1 RTX系统特性
    4.2 RTX系统规格
    4.3 RTX系统性能
    4.4 RTX系统内存要求
    4.5 RTX系统优势
    4.6 使用RTXVS 裸机方式的优势
    4.7 RTX和其它5款RTOS的实时性PK
    4.8    总结


4.1  RTX系统特色

图4.1RTX内核

u 带有源码的免版税,确定性RTOS。
u 支持时间片,抢占式和合作式调度。
u 以低的中断延迟执行高速实时操作(对于M3/M4内核可以实现零中断延迟)。
u 小的空间占用适用于资源受限的系统。
u 不限制数量的任务,每个任务都具有254的优先级。
u 不限制数量的信号量,互斥信号量,消息邮箱和软定时器。
u 支持多线程和线程安全操作。
u 使用MDK基于对话框的配置向导,可以很方便的完成MDK的配置。
l 免版税
      RTX的免版税是建立在购买了正版MDK-ProfessionaLEDition基础之上,详情请看:http://www.keil.com/rl-arm/rl_license.asp
l 零中断延迟
      这里的零中断延迟是指ISR的中断相应时间和没有使用RTX系统是一样的,也就是说用于Cortex-M3/M4的RTX内核库中没有关闭中断的操作,这点应该算是RTX一个很大的优势,像uCOS-II,uCOS-III和FreeRTOS内核的很多地方关中断操作,关中断操作对实时性有哪些危害呢?比如此时某个任务正在调用系统API函数,而且此时中断正好关闭了,也就是进入到了临界区中,这个时候如果有一个紧急的中断事件被触发,这个中断就不能得到及时执行,必须等到中断开启才可以得到执行,如果关中断时间超过了紧急中断能够容忍的限度,危害是可想而知的。
l 确定性
      确定性是指在在定义的时间内处理事件和中断,RTX 提供完全确定性的行为,这意味着在预定义时间内(期限)处理事件和中断,这个主要得益于RTX的零中断延迟特性。(注:另外根据CMSIS RTOS RTX的说明,RTX系统的任务切换时间也是确定的
l 线程安全
      线程安全涉及到的问题较多,详情请看: http://www.keil.com/rl-arm/rl_threadsafe.asp

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· 2016-10-2 09:55:03
4.2   RTX系统规格




1.     不限意味着RTX内核对数量没有限制,但是,可用的系统内存资源限制可以创建的项目数量。
2.     用于Cortex-M3/M4内核的RTX库不禁用中断,中断延迟与无RTX内核时相同,Cortex-M1/M0的中断延迟小于20个时钟周期。

· 2016-10-2 09:55:22
4.3   RTX系统性能



1.     用于Cortex-M3/M4内核的RTX库不禁用中断,中断延迟与无RTX内核时相同,Cortex-M1/M0的中断延迟小于20个时钟周期。
· 2016-10-2 09:58:18
4.4  RTX系统内存要求



1.     本测试的RTX内核是针对 10 个任务、10 个用户计时器并禁用堆栈检查。
2.     RAM要求取决于同时运行的任务数量。
3.     代码和RAM大小使用 MicoLib 运行库进行计算。
· 2016-10-2 09:59:43
4.5  RTX系统优势

Keil RTX 实时操作系统提供许多高级功能,其他供应商的RTOS产品中并不总是提供这些功能。在选择RTOS时,应考虑以下几点:
u RTX 包含在 MDK-ARM 中 - 全功能、商业级RTX(包括源代码)作为 Keil MDK-ARM 开发工具的一部分提供。这不是评估版。它可完全配置,没有任何限制。因此,如果您计划使用 MDK 进行开发,RTX 是免费的。
u RTX 免版税 - RTX 是免版税提供的。获得了使用许可后,您可以装备使用RTX创建的产品,而无需支付其他费用或产生后续成本。
u 市场领先的 RTOS -RTX 一直是嵌入式应用程序中领先的RTOS之一(2013,2014,2015年嵌入式市场调查报告)。您可以信心十足地在应用程序中使用 RTX。
u 灵活的调度 - RTX 提供三种不同的调度方式,您可以使用最适合您的调度方式:
        抢占式- 每个任务都具有不同的优先级,只有在更高优先级的任务准备好运行后才会运行。此选项方式于交互式系统,在用户输入某些内容之前,设备可能处于待机或后台模式。
        时间片 -每个任务都将运行固定的CPU运行时间段。数据记录器/系统显示器通常使用时间片调度,所有传感器或数据源都会依次进行采样,不分优先级。
        合作式 -每个任务将一直运行,直到指示其将控制权传递给另一个任务或遇到阻塞式API函数。可以在要求固定执行顺序的应用程序中使用这种调度方式。
u 确定性的行为 - 并非每个RTOS 都具有确定性。RTX 提供完全确定性的行为,这意味着在预定义时间内(期限)处理事件和中断。您的应用程序可以依赖于一致且已知的进程计时。
u 专为嵌入式系统而设计 - RTX 是专门为基于 ARM 和 Cortex-M MCU 的嵌入式系统而编写的。它并不是根据较大的操作系统或其他架构改写的。它运行速度快,占用的 MCU 资源极少,内存占用量仅为 5KB (ROM)。
u 易于使用 - 学习周期短,产品开发速度快。μVision IDE/调试器完全支持 RTX,其中采用 RTX 任务识别工具以便于在您的应用程序中快速方便地配置和调试 RTX。
u 源代码 - 在所有MDK-ARM 版本中都包含 RTX 源代码。这对于需要源代码进行产品认证的情况会很有用。
u 支持 - 提供了广泛的资源,包括示例、用户指南以及快速入门指南。Keil完全支持 RTX。
· 2016-10-2 09:59:58
4.6  使用RTX VS 裸机方式的优势

    简单的嵌入式系统通常使用超级循环概念,其中应用程序按固定顺序执行每个函数。中断服务例程 (ISR) 用于时间关键程序部分。这种方法非常适合小系统,但对较为复杂的应用程序会有限制。

4.6.1     超级循环的缺点

u  必须在中断(ISR)内处理时间关键运算:
l  ISR 函数变得非常复杂,并且需要很长执行时间。
l  ISR 嵌套可能产生不可预测的执行时间和堆栈需求。
u  超级循环和ISR之间的数据交换是通过全局共享变量进行的:
l  应用程序的程序员必须确保数据一致性。
u  超级循环可以与系统计时器轻松同步,但:
l  如果系统需要多种不同的周期时间,则会很难实现。
l  超过超级循环周期的耗时函数需要做拆分。
l  增加软件开销,应用程序难以理解。
u  超级循环使得应用程序变得非常复杂,因此难以扩展:
l  一个简单的更改就可能产生不可预测的副作用,对这种副作用进行分析非常耗时。
l  超级循环 概念的这些缺点可以通过使用实时操作系统 (RTOS) 来解决。
· 2016-10-2 10:00:20
4.6.2     RTOS的优势

    RTOS将程序函数分成独立的任务,并为其提供合理的调度方式。RTX提供以下重要优势:
u  任务调度 - 任务在需要时进行调用,从而确保了更好的程序执行和事件响应。
u  多任务 - 任务调度会产生同时执行多个任务的效果。
u  确定性的行为 - 在定义的时间内处理事件和中断。
u  更短的 ISR - 实现更加确定的中断行为。
u  任务间通信 - 管理多个任务之间的数据、内存和硬件资源共享。
u  定义的堆栈使用 - 每个任务分配一个堆栈空间,从而实现可预测的内存使用。
u  系统管理 - 可以专注于应用程序开发而不是资源管理。

图4.2RTX中任务通信
图4.2中任务1和任务2是应用程序中的函数,RTX提供了内存池,消息邮箱和任务之间的通讯机制

图4.3 RTX为直接访问RTOS所有资源提供了一种简单语法

· 2016-10-2 10:00:37
4.7  RTX和其它5款RTOS的实时性PK

    RTOS实时性的两个重要指标,一个是中断延迟时间,另一个就是任务切换时间,因为使用CM3或者CM4内核,RTX系统可以实现零中断延时,也就是跟裸机情况是一样的。其它4款RTOS都无法实现达到这个性能指标。中断延时时间方面,RTX完胜。
    下面就是任务切换时间的比较:
    测试条件 :STM32F103VET6,Cortex-M3内核,72MHz,
              软件用的MDK4.54,  1级优化。
              测试10000次,2ms测试一次,然后求平均。


从上面的测试可以看出,RTX的优势很明显,其实除了任务切换时间外,信号量,事件标志,消息邮箱的实时性都比其它4款RTOS的强劲。
· 2016-10-2 10:00:54
4.8  总结
    本章节就为大家讲解这么多,主要目的是想让大家对RTX操作系统有一个整体的认识,从下一章我们就开始正式的进入RTX操作系统的学习。
· 2016-10-2 10:01:15
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