RTOS的系統(tǒng)節(jié)拍

RTOS的系統(tǒng)節(jié)拍

傳統(tǒng)的RTOS都是利用一個硬件定時器產(chǎn)生周期性的節(jié)拍中斷，作為系統(tǒng)的時基。在多數(shù)的應用中，系統(tǒng)節(jié)拍的周期都是毫秒級的，RTOS的超時、延遲、定時的分辨率都是以節(jié)拍為單位。即使一個任務在幾個連續(xù)的節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行，系統(tǒng)節(jié)拍中斷還是會周期性的發(fā)生，浪費了CPU的執(zhí)行時間。下圖是一個示例，雖然某段時間內(nèi)只有IDLE任務在執(zhí)行，系統(tǒng)節(jié)拍中斷還是會如期發(fā)生。

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

周期級分辨率的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)時基的工作方式，采用硬件定時器加計數(shù)器的方式，只在必要時產(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，同時能降低系統(tǒng)的功耗。embOS Ultra基于時間事件的調(diào)度都能以微秒指定。

體驗embOS Ultra微秒級調(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，用于測試，內(nèi)核以二進制庫提供。embOS Ultra的API完全兼容embOS，只是多了幾個任務管理的API，任務可以按照ms或us延遲。

先將Demo例程的任務做了修改，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); }}

下載代碼至目標板上運行，通過SystemView來觀測系統(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，只是在需要進行任務調(diào)度時觸發(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。

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

再將任務代碼改成：

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任務分別延遲50us和100us，LPTask延遲200us，運行后觀測Timeline：

HPTask首次執(zhí)行延遲了50us之后，系統(tǒng)定時器中斷觸發(fā)，調(diào)度器開始執(zhí)行，從IDEL任務切換到HPTask任務。同時可以發(fā)現(xiàn)，從中斷觸發(fā)到HPTask任務體開始執(zhí)行實際上已經(jīng)過去了10us，這是因為中斷處理和任務調(diào)度的執(zhí)行需要消耗一定CPU時間，這個與處理器架構(gòu)和CPU運行頻率有關(guān)，在Cortex-M上大概在10us左右。也就是說在當前的處理器上，延遲時間小于10us是沒有意義的，但是在主頻很高的MPU(應用處理器)上這個時間可能要短很多。

總之，現(xiàn)在很多的MCU的性能都已經(jīng)很高了。同時，一些應用要求處理器有比較高的計算能力，還要求系統(tǒng)能有很好的實時性，甚至在MPU上使用RTOS。此種應用場景下，如果RTOS支持CPU周期級別的分辨率，這實際上可以進一步提升系統(tǒng)的實時性。而且，在針對一些外設的處理上，使用微秒級的延遲，還能提高CPU的使用效率，擴展了RTOS的潛在應用范圍。