在高度時(shí)間敏感的低功耗藍(lán)牙應(yīng)用中使用 RTOS

當(dāng)您設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，您需要回答的問題之一是您的應(yīng)用程序是否需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS）。許多嵌入式設(shè)計(jì)人員都回避使用 RTOS 內(nèi)核，因?yàn)樗麄儞?dān)心內(nèi)核在處理關(guān)鍵部分時(shí)會(huì)禁用中斷，這會(huì)妨礙時(shí)間敏感型應(yīng)用程序無法滿足最后期限。

什么是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)？ RTOS 是一種軟件，可以盡可能高效地管理中央處理單元 （CPU）、微處理單元 （MPU） 甚至數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP） 的時(shí)間。大多數(shù) RTOS 內(nèi)核是用 C 語言編寫的，需要一小部分用匯編語言編寫的代碼來使內(nèi)核適應(yīng)不同的 CPU 架構(gòu)。

內(nèi)核為程序員提供了許多有用的服務(wù)，包括多任務(wù)處理、中斷管理、任務(wù)間通信和信令、資源管理、時(shí)間管理和內(nèi)存分區(qū)管理。應(yīng)用程序基本上分為多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)應(yīng)用程序的一部分。任務(wù)是一個(gè)簡單的程序，它認(rèn)為它自己擁有 CPU。每個(gè)任務(wù)都根據(jù)任務(wù)的重要性分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)。

大多數(shù)用于嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核都是“搶占式”的，這意味著內(nèi)核總是執(zhí)行準(zhǔn)備好運(yùn)行的最重要的任務(wù)。搶占式內(nèi)核也是事件驅(qū)動(dòng)的，這意味著任務(wù)被設(shè)計(jì)為等待事件發(fā)生才能執(zhí)行。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，任務(wù)執(zhí)行并執(zhí)行其功能。如果任務(wù)等待的事件沒有發(fā)生，內(nèi)核將運(yùn)行其他任務(wù)。等待任務(wù)消耗 CPU 時(shí)間為零；內(nèi)核允許您避免使用輪詢循環(huán)，這是對(duì) CPU 時(shí)間的不好利用。

許多嵌入式程序員回避使用 RTOS 內(nèi)核，因?yàn)樗麄儞?dān)心內(nèi)核會(huì)給他們的應(yīng)用程序增加太多復(fù)雜性。事實(shí)證明，您只需要少數(shù)服務(wù)即可使用內(nèi)核啟動(dòng)您的項(xiàng)目。至于開銷，RTOS 確實(shí)可能需要 2% 到 5% 的 CPU 資源來執(zhí)行其職責(zé)。

然而，更重要的是 RTOS 在進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)需要禁用中斷。根據(jù) CPU 本身、時(shí)鐘頻率以及內(nèi)存訪問是否需要等待狀態(tài)，RTOS 可以禁用中斷數(shù)十微秒。對(duì)于大多數(shù)嵌入式應(yīng)用程序而言，此限制通常不是問題，但在每微秒都很重要時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)問題。

低功耗藍(lán)牙 （BLE） IoT 設(shè)備越來越多地配備 BLE 鏈路，因?yàn)楫?dāng)與智能手機(jī)或類似手持設(shè)備結(jié)合使用時(shí)，BLE 使這些 IoT 設(shè)備的調(diào)試和配置變得簡單方便。BLE 可以有多種操作模式、多種連接、多個(gè)廣告商等等，其中一些甚至可以重疊。

掃描模式： 設(shè)備掃描其他設(shè)備發(fā)送的廣告包。掃描由掃描之間的間隔和設(shè)備正在偵聽的時(shí)間窗口組成。掃描儀在每個(gè)間隔改變頻道頻率。需要在收到請(qǐng)求后 150 μs 內(nèi)做出響應(yīng)。這稱為幀間空間 （IFS）。

廣告模式： BLE 設(shè)備也可以自行執(zhí)行廣告，廣告時(shí)間可能在 20 毫秒到 3 小時(shí)之間。

連接模式： Master 在每個(gè)連接間隔發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，BLE Slave 設(shè)備在 150 μs 后回復(fù) Master，即 IFS。如果 Master 有其他東西要發(fā)送給 Slave，它會(huì)在 150 μs 后向 Slave 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包。設(shè)備相互發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到兩端都沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送。

對(duì)于 32 位 CPU 來說，150 微秒可能看起來很長，但在處理傳入請(qǐng)求時(shí)還有很多工作要做。數(shù)據(jù)包具有流控信息，指示從另一端請(qǐng)求什么序列號(hào)；可能有地址白名單過濾需要處理。

實(shí)際上，執(zhí)行這些操作會(huì)消耗 120 μs 到 130 μs 的 CPU 時(shí)間。如果無法在 150 μs 內(nèi)處理數(shù)據(jù)包，通常不會(huì)發(fā)生任何不良情況；數(shù)據(jù)吞吐量可能會(huì)略有下降或打開連接可能會(huì)延遲。從客戶的角度來看，這種行為與無線電干擾相同。但是，連續(xù)錯(cuò)過這個(gè)截止日期不是一種選擇，因?yàn)樗鼤?huì)使最終產(chǎn)品無法使用。

BLE 應(yīng)用程序中 的 RTOS 如果 RTOS 可能會(huì)在數(shù)十微秒內(nèi)禁用中斷，那么您為什么要考慮在基于 BLE 的應(yīng)用程序中使用它呢？嗯，答案是這些時(shí)間緊迫的事件可以在 RTOS 之外輕松處理。具體來說，可以在 RTOS 范圍之外分配特定的時(shí)間敏感中斷服務(wù)例程 （ISR）。這些稱為非內(nèi)核感知 （nKA） ISR，顧名思義，它們只是繞過 RTOS 內(nèi)核。nKA ISR 的優(yōu)先級(jí)高于內(nèi)核感知 （KA） ISR。

圖 1：Cortex-M3 CPU 上的 ISR 和任務(wù)優(yōu)先級(jí)。

圖 1 顯示了典型 Cortex-M3 CPU 的 ISR 和任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。如果 RTOS 需要保護(hù)臨界區(qū)，它會(huì)將 Cortex-M3 CPU 的 BASEPRI 寄存器設(shè)置為 0x40，從而禁用優(yōu)先級(jí)為 0x40 及以下的 KA ISR。因?yàn)?0x00 和 0x20 是更高的優(yōu)先級(jí)，它們將被允許中斷 CPU，即使 RTOS 處于臨界區(qū)的中間。

因此，時(shí)間敏感的 BLE ISR 可以簡單地分配優(yōu)先級(jí) 0x00 或 0x20，當(dāng)它們發(fā)生時(shí)，將立即處理它們，而與低優(yōu)先級(jí) ISR 或任務(wù)的狀態(tài)無關(guān)。

一項(xiàng)任務(wù)可能會(huì)為 nKA ISR 提供設(shè)置信息——操作模式、配置等。nKA ISR 可能還需要在任務(wù)級(jí)別執(zhí)行進(jìn)一步的非時(shí)間關(guān)鍵處理。因此，如果不允許 nKA ISR 進(jìn)行任何 RTOS API 調(diào)用，nKA ISR 如何與任務(wù)通信？設(shè)置共享內(nèi)存相當(dāng)容易，如圖2 所示。

圖 2：nKA ISR 和任務(wù)之間的通信。

nKA ISR 將信息存儲(chǔ)到與其共享任務(wù)的內(nèi)存中。

由于 nKA ISR 無法進(jìn)行任何 RTOS API 調(diào)用，因此它需要觸發(fā) KA 中斷，進(jìn)而允許進(jìn)行內(nèi)核調(diào)用。ARM Cortex-M CPU 的嵌套向量中斷控制器 （NVIC） 允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員做到這一點(diǎn)，但設(shè)計(jì)人員需要識(shí)別應(yīng)用程序未使用的 I/O 設(shè)備并竊取其中斷向量以用于此目的。

因此，KA ISR 可以向任務(wù)發(fā)出信號(hào)，讓其知道共享 RAM 中的數(shù)據(jù)可用。

當(dāng)所有 ISR 都已完成，并且 RTOS 已決定發(fā)出信號(hào)的任務(wù)現(xiàn)在是最高優(yōu)先級(jí)時(shí)，該任務(wù)可以讀取 nKA ISR 發(fā)送給它的數(shù)據(jù)。

該任務(wù)可以根據(jù)需要將 nKA ISR 的信息存儲(chǔ)在一個(gè)共享區(qū)域中，該共享區(qū)域只能由 nKA ISR 讀取。數(shù)據(jù)寫入共享 RAM，但只有在設(shè)置“數(shù)據(jù)可用”標(biāo)志時(shí)才能讀取。ARM Cortex-M3 CPU 和上面的處理器具有特殊指令，可確保設(shè)置或清除“數(shù)據(jù)可用”標(biāo)志可以自動(dòng)完成，以防止競爭條件，而無需禁用全局中斷。

nKA ISR 將輪詢?nèi)蝿?wù)提供的數(shù)據(jù)。這通常不是問題，因?yàn)闊o論如何都會(huì)在 nKA ISR 發(fā)生時(shí)發(fā)生這種情況。

總結(jié) RTOS 和時(shí)間敏感的應(yīng)用程序（如 BLE）可以通過制作非內(nèi)核感知的時(shí)間敏感 ISR 輕松共存。使用與此類似的方案可確保時(shí)間關(guān)鍵代碼不受 RTOS 存在的影響。同時(shí)，RTOS 可以最有效地利用 CPU 來處理時(shí)間不敏感的代碼。