【安富莱】【RTX操作系统教程】第4章 RTX操作系统介绍

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本帖最后由硬汉Eric2013 于 2016-1-18 14:33 编辑

第4章 RTX操作系统介绍

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

硬汉Eric2013 · 2016-1-18 14:54:51

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。

硬汉Eric2013 · 2016-1-18 14:56:13

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。

硬汉Eric2013 · 2016-1-18 14:57:19

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。

硬汉Eric2013 · 2016-1-18 15:19:54

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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 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)。

7. 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。

8. 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

9. 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。

硬汉Eric2013 · 2016-1-18 15:25:28

本帖最后由硬汉Eric2013 于 2016-1-18 15:26 编辑

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

1. 必须在中断(ISR)内处理时间关键运算：
A.  ISR 函数变得非常复杂，并且需要很长执行时间。
B. ISR 嵌套可能产生不可预测的执行时间和堆栈需求。

2. 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：

应用程序的程序员必须确保数据一致性。

3. 超级循环可以与系统计时器轻松同步，但：

A. 如果系统需要多种不同的周期时间，则会很难实现。

B. 超过超级循环周期的耗时函数需要做拆分。

C. 增加软件开销，应用程序难以理解。

4. 超级循环使得应用程序变得非常复杂，因此难以扩展：

A. 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。

B. 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。

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：

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。

多任务- 任务调度会产生同时执行多个任务的效果。

确定性的行为- 在定义的时间内处理事件和中断。

更短的 ISR - 实现更加确定的中断行为。

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。

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。

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

硬汉Eric2013 · 2016-1-18 15:32:27

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。

硬汉Eric2013 · 2016-1-18 15:42:35

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。

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