RTOS的系統(tǒng)節(jié)拍

傳統(tǒng)的RTOS都是利用一個(gè)硬件定時(shí)器產(chǎn)生周期性的節(jié)拍中斷，作為系統(tǒng)的時(shí)基。在多數(shù)的應(yīng)用中，系統(tǒng)節(jié)拍的周期都是毫秒級(jí)的，RTOS的超時(shí)、延遲、定時(shí)的分辨率都是以節(jié)拍為單位。即使一個(gè)任務(wù)在幾個(gè)連續(xù)的節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行，系統(tǒng)節(jié)拍中斷還是會(huì)周期性的發(fā)生，浪費(fèi)了CPU的執(zhí)行時(shí)間。下圖是一個(gè)示例，雖然某段時(shí)間內(nèi)只有IDLE任務(wù)在執(zhí)行，系統(tǒng)節(jié)拍中斷還是會(huì)如期發(fā)生。

此外，任務(wù)延遲或超時(shí)等時(shí)間相關(guān)的功能都基于系統(tǒng)滴答中斷計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間到后，通過系統(tǒng)節(jié)拍周期中斷觸發(fā)調(diào)度器。因此，如果任務(wù)的延遲時(shí)間小于一個(gè)系統(tǒng)節(jié)拍周期，則只能主動(dòng)等待，直到所需的時(shí)間結(jié)束。

周期級(jí)分辨率的RTOS

SEGGER之前推出的embOS Ultra，改變了過去RTOS采用周期節(jié)拍中斷作為系統(tǒng)時(shí)基的工作方式，采用硬件定時(shí)器加計(jì)數(shù)器的方式，只在必要時(shí)產(chǎn)生中斷。這就消除了傳統(tǒng)的周期性節(jié)拍中斷，減少了不必要的CPU活動(dòng)，同時(shí)能降低系統(tǒng)的功耗。embOS Ultra基于時(shí)間事件的調(diào)度都能以微秒指定。

體驗(yàn)embOS Ultra微秒級(jí)調(diào)度

目前embOS Ultra支持CortexM/R/A，以及RISC-V架構(gòu)的處理器。從官網(wǎng)可以下載到基于SEGGER Embedded Studio的示例Demo，用于測(cè)試，內(nèi)核以二進(jìn)制庫提供。embOS Ultra的API完全兼容embOS，只是多了幾個(gè)任務(wù)管理的API，任務(wù)可以按照ms或us延遲。

先將Demo例程的任務(wù)做了修改，HPTask分別以1000us、2000us不等延遲，LPTask以80ms延遲。

static void HPTask(void) { while (1) {   BSP_SetLED(0);   OS_TASK_Delay_us(1000);   BSP_ClrLED(0);   OS_TASK_Delay_us(2000);   BSP_SetLED(0);   OS_TASK_Delay_us(3000);   BSP_ClrLED(0);   OS_TASK_Delay_us(4000); }}
static void LPTask(void) { while (1) {  BSP_ToggleLED(1);  OS_TASK_Delay_ms(80u); }}

下載代碼至目標(biāo)板上運(yùn)行，通過SystemView來觀測(cè)系統(tǒng)的執(zhí)行：

從OS事件視圖可以看到，系統(tǒng)不存在周期性的節(jié)拍中斷，只是在需要進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí)觸發(fā)一次中斷。從下面的Timeline視圖可以更直觀的看出，紅色涂抹的位置是系統(tǒng)中斷。

注意上圖中的時(shí)間(996.8us、1.9ms,2.9ms……)并不是任務(wù)的間隔時(shí)間，而是調(diào)度器執(zhí)行的間隔時(shí)間。

再將任務(wù)代碼改成：

static void HPTask(void) { while (1) {   BSP_SetLED(0);   OS_TASK_Delay_us(50);   BSP_ClrLED(0);   OS_TASK_Delay_us(100); }}
static void LPTask(void) { while (1) {  BSP_ToggleLED(1);  OS_TASK_Delay_us(200u); }}

HPTask任務(wù)分別延遲50us和100us，LPTask延遲200us，運(yùn)行后觀測(cè)Timeline：

HPTask首次執(zhí)行延遲了50us之后，系統(tǒng)定時(shí)器中斷觸發(fā)，調(diào)度器開始執(zhí)行，從IDEL任務(wù)切換到HPTask任務(wù)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，從中斷觸發(fā)到HPTask任務(wù)體開始執(zhí)行實(shí)際上已經(jīng)過去了10us，這是因?yàn)橹袛嗵幚砗腿蝿?wù)調(diào)度的執(zhí)行需要消耗一定CPU時(shí)間，這個(gè)與處理器架構(gòu)和CPU運(yùn)行頻率有關(guān)，在Cortex-M上大概在10us左右。也就是說在當(dāng)前的處理器上，延遲時(shí)間小于10us是沒有意義的，但是在主頻很高的MPU(應(yīng)用處理器)上這個(gè)時(shí)間可能要短很多。

總之，現(xiàn)在很多的MCU的性能都已經(jīng)很高了。同時(shí)，一些應(yīng)用要求處理器有比較高的計(jì)算能力，還要求系統(tǒng)能有很好的實(shí)時(shí)性，甚至在MPU上使用RTOS。此種應(yīng)用場(chǎng)景下，如果RTOS支持CPU周期級(jí)別的分辨率，這實(shí)際上可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。而且，在針對(duì)一些外設(shè)的處理上，使用微秒級(jí)的延遲，還能提高CPU的使用效率，擴(kuò)展了RTOS的潛在應(yīng)用范圍。