萬字長文帶你了解CMSIS-RTOS?RTX實時操作系統(tǒng)

一.序言

本資料是Trevor Martin編寫的《The Designers Guide to the Cortex-M Processor Family》的摘要，并得到Elsevier的再版許可。查詢更多細(xì)節(jié)，請到本資料尾部進階章節(jié)。

本資料著力于介紹RTX，RTX可運行在基于Cortex-M構(gòu)架的微控制器上。尤其，RTX符合CMSIS標(biāo)準(zhǔn)。CMSIS全稱"Cortex Microcontroller Interface Standard"，定義了基于Cortex-M構(gòu)架的微控制器標(biāo)準(zhǔn)的RTOS Api。CMSIS RTOS Api提供基于RTOS開發(fā)的接口，掌握后可跨多系列微控制器使用。另外，CMSIS RTOS Api也為高級應(yīng)用（如Java虛擬機，UML）等提供標(biāo)準(zhǔn)接口。同時，CMSIS RTOS Api也是不依賴于硬件層的標(biāo)準(zhǔn)接口，支持代碼重復(fù)使用。

作為新手，適應(yīng)RTOS需要大量的練習(xí)，但RTOS的便利性會使使用者再也不想回到裸板程序。

1.1.起步-安裝工具

要運行本資料中的示例代碼，必須安裝MDK-ARM工具鏈?？稍谌缦碌刂废螺d最新版本，并運行安裝程序。

http://www.keil.com/mdk5/install 

該安裝程序是MDK-ARM的核心，包括IDE，編譯/鏈接工具和基本調(diào)試模塊。不包括對基于Cortex-M構(gòu)架微控制器的具體型號支持，要支持具體的型號需要下載"Device Family Pack"（集合了啟動文件，F(xiàn)lash編程算法和調(diào)試支持）。

本資料中的練習(xí)，均基于STM32F103RB微控制器，所以需要安裝對應(yīng)的"Device Family Pack"。

初次安裝完畢，Pack Installer會自動啟動。也可通過工具欄啟動，如圖所示：

在Pack Installer選擇相應(yīng)的模塊安裝，Pack Installer自動下載并安裝。

1.2.安裝例程

本資料中涉及到的例程也被做成CMSIS pack下載。在Pack Installer中雙擊Hitex.CMSIS_RTOS_Turorial.xxxx.pack file即可自動安裝。

安裝完成后界面如圖：

1.3.硬件需求

不需要硬件支持！

Keil工具鏈包含基于Cortex-M構(gòu)架微控制器的模擬器，并可完全模擬其模型（包括CPU和外設(shè)）。這就意味著可以在debug模式下模擬運行。

二.綜述

學(xué)習(xí)本資料，分三個步驟：

1. 首先建立一個基于Cortex-M構(gòu)架微控制器的RTOS工程，并運行起來；

   
   

2. 進一步深入RTOS每個細(xì)節(jié)，體驗RTOS對應(yīng)用程序的貢獻(xiàn)和閃光點；

   
   

3. 對RTOS有個整體認(rèn)識后，深入探討如何配置RTOS選項；

   
   

對于沒有接觸過RTOS的新手來說，以下兩點需要克服：

1. 進程（或者叫任務(wù)），重點在理解進程的運行原理；

   
   

2. 進程見通訊，重點是理解進程間的同步通訊；

   
   

2.1.進入RTOS的第一步

1. RTOS的核心是調(diào)度器（支持輪換、搶占和協(xié)同多任務(wù)），時間和內(nèi)存管理服務(wù)。進程間通訊由額外模塊如信號、信號量、互斥量、消息隊列、消息郵箱等支持完成。而，中斷則通過特權(quán)進程由內(nèi)核調(diào)度。

   
   

   
   

   
   

2.2導(dǎo)入CMSIS-RTOS API

1. 添加頭文件 即可調(diào)用CMSIS_RTOS API，如下：

   
   

   #include

   
   

   該頭文件作為CMSIS-RTOS標(biāo)準(zhǔn)文件。對于符合CMSIS-RTOS標(biāo)準(zhǔn)的Keil 內(nèi)置RTX是默認(rèn)的API。其他RTOS應(yīng)該會包含其特有Api，但只要支持CMSIS_RTOS，即可通過此方式引入。

   
   

2.3進程Thread

1. 標(biāo)準(zhǔn)C語言的最小程序塊是函數(shù)（函數(shù)被其他代碼并完成某些特定的運算）。在CMSIS-RTOS中，基本代碼單元是進程。進程與函數(shù)類似，但也有一些不同。

   
   

   函數(shù)示例：進程示例：

   
   

   Unsigned int fun(void) void thread(void)

   
   

   { {

   
   

   .... ......

   
   

   Return(ch); while(1){........}

   
   

   } }

   
   

   最大的區(qū)別是，函數(shù)總歸要返回到被調(diào)用處，而進程則是無限循環(huán)，不會主動結(jié)束。

   
   

   RTOS程序有一定數(shù)量的進程組成，在調(diào)度器控制下運行。調(diào)度器使用Systick中斷生成時間片，并以時間片為單位分配各個進程的運行時間。如，進程1運行5ms，而后調(diào)度器將CPU分配給進程2一個相似的時間段，然后將cpu分別給進程3，......。宏觀來看，好像各個進程同步運行。

   
   

   在概念層面，程序包含數(shù)個同步運行的進程，而每個進程則是完成特定功能的獨立代碼段。進程代碼的獨立性，使設(shè)計代碼、測試可限制在進程內(nèi)進行，進而組合各個進程完成程序設(shè)計，這就使進程利于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。同樣道理，進程可將調(diào)試局限在進程內(nèi)，也更利于調(diào)試。后續(xù)可發(fā)現(xiàn)，進程對提高代碼復(fù)用性同樣有利。

   
   

   進程在創(chuàng)建時，系統(tǒng)自動分配進程ID，用作進程的標(biāo)識，如下：

   
   

   osThreadId    id1，id2，id3

   
   

   完成進程切換，需要制定硬件定時器作為RTOS時間片參考，并消耗一定的代碼開銷。當(dāng)進程切換時，系統(tǒng)需要保存正在運行的進程信息，同時加載將要運行的進程的信息，統(tǒng)稱為"任務(wù)切換時間"，它是評估RTOS的重要指標(biāo)。進程信息保存在進程控制塊中。

   
   

   
   

   
   

2.4創(chuàng)建進程

1. 一個創(chuàng)建進程的示例：

   
   

   Void thread1(void const *parm);

   
   

   osThreadDef(thread1,osPriorityNormal, 1, 0);

   
   

   優(yōu)先級 實例數(shù) stacksize（0默認(rèn)size）

   
   

   osThreadId thread1_id = osThreadCreate(osThread(thread1),NULL);

   
   

   Void thread1(void const *parm)

   
   

   {

   
   

   //init code

   
   

   While(1) //thread body

   
   

   {

   
   

   ......

   
   

   }

   
   

   }

   
   

2.5進程優(yōu)先級和進程管理

1. 一經(jīng)創(chuàng)建，系統(tǒng)分配進程ID，進程ID是管理進程的標(biāo)識。

   
   

   進程有優(yōu)先級特性，如圖：

   
   

   
   

   
   

   管理進程包括設(shè)置優(yōu)先級，讀取優(yōu)先級，進程消亡等，Api如下：

   
   

   osStatus osThreadSetPriority(threadID,priority);

   
   

   osPriority osThreadGetPriority(threadID);

   
   

   osStatus osThreadTerminate(threadID);

   
   

2.6多實例進程

1. 進程支持多實例，如Ex4 Multiple Instance，代碼摘錄：

   
   

   void Led_Switch(void const *argument)

   
   

   {

   
   

   LED_ON((uint32_t)argument);

   
   

   Delay(500);

   
   

   LED_OFF((uint32_t)argument);

   
   

   Delay(500);

   
   

   }

   
   

   osThreadDef(osThread(Led_Swtich),osPriorityNormal,2,0);

   
   

   osThreadId id1 = osThreadCreate(osThread(Led_Swtich),(void *)1);

   
   

   osThreadId id2 = osThreadCreate(osThread(Led_Swtich),(void *)2);

   
   

2.7開始RTOS

默認(rèn)，RTOS自main函數(shù)起接管系統(tǒng)調(diào)度，所以main函數(shù)是第一個運行中進程。一旦進入main函數(shù)，首先調(diào)用osKernelInitialize()停用調(diào)度，以爭取時間完成硬件初始化（如GPIO配置，USART配置等）和創(chuàng)建需要的進程或其他RTOS組件，而后調(diào)用osKernelStart()將系統(tǒng)控制權(quán)交還給RTOS，如下代碼示例：

Void main(void)

{

osKernelInitialize();

//user code

Init_thread();

osKernelStart();

}

上例中，main進程在完成進程創(chuàng)建后運行到"}"時消亡，這在RTOS中是不推薦的。Main函數(shù)也可作為一個進程，并通過ID管理，如下：

osThreadId main_id;

Void main(void)

{

osKernelInitialize();

//user code

main_id = osThreadGetId(); //返回當(dāng)前進程ID

Init_thread();

osKernelStart();

While(1) //thread body

{

}

}

三.時間管理

RTOS提供基本的時間管理組件。

3.1延時函數(shù)

事件組件中最基本的服務(wù)就是延時函數(shù)，在應(yīng)用程序中可直接調(diào)用延時函數(shù)，非常方便。

插曲：盡管RTOS內(nèi)核約5K左右，相比于非RTOS系統(tǒng)中延時循環(huán)的無用代碼消耗，RTOS還是優(yōu)勢明顯，這就是RTOS出現(xiàn)的原因。

函數(shù)原型：void osDelay(uint32_t millisec)

調(diào)用延時函數(shù)的進程會進入WAIT_DELAY狀態(tài)并持續(xù)延時函數(shù)制定的時間（millisec），調(diào)度器轉(zhuǎn)向其他READY狀態(tài)進程。延時結(jié)束，進程進入READY狀態(tài)，等待調(diào)度器調(diào)度。

3.2等待事件

除了等待制定的時間，osWait也可中斷進程并使進程進入等待狀態(tài)直至被重新觸發(fā)（觸發(fā)時間可以是信號、信號量、消息等），并且osWait同樣支持指定延時的周期。

函數(shù)原型：osStatus osWait(uint32_t millisec)

注意：keil RTX不支持此節(jié)內(nèi)容。

3.3虛擬定時器

CMSIS-RTOS支持虛擬定時器，虛擬定時器向下計數(shù)，溢出時運行用戶定義的call-back函數(shù)。虛擬定時器可以定位為單次和循環(huán)模式，步驟如下：

1. 定義回調(diào)函數(shù)（call-back）；

   
   

2. 定義定時器結(jié)構(gòu)體；

   
   

3. 創(chuàng)建定時器；

   
   

4. 啟動定時器；

   
   

如Ex 6 Virtual Timers代碼摘錄：

void callback(void const *pram)

{

Switch((uint32_t) pram)

{

case 0:

GPIOB->ODR ^= 0x8;

Break;

case 1:

GPIOB->ODR ^= 0x4;

Break;

case 2:

GPIOB->ODR ^= 0x2;

Break;

case 3:

Break;

}

}

osTimerDef(osTimer(Timer0_handle),callback);

osTimerDef(osTimer(Timer1_handle),callback);

osTimerDef(osTimer(Timer2_handle),callback);

osTimerDef(osTimer(Timer3_handle),callback);

osTimerId timer0 = osTimerCreate(osTimer(Timer0_hanlder),osTimerPeriodic,(void *)0);

osTimerId timer1 = osTimerCreate(osTimer(Timer1_hanlder),osTimerPeriodic,(void *)1);

osTimerId timer2 = osTimerCreate(osTimer(Timer2_hanlder),osTimerPeriodic,(void *)2);

osTimerId timer3 = osTimerCreate(osTimer(Timer3_hanlder),osTimerPeriodic,(void *)3);

osTimerStart(timer0_handle,0x100);

osTimerStart(timer1_handle,0x100);

osTimerStart(timer2_handle,0x100);

osTimerStart(timer3_handle,0x100);

3.4微秒延時

借用系統(tǒng)中的Systick原始計數(shù)值可實現(xiàn)微妙延時。微妙延時不觸發(fā)調(diào)度，它僅僅暫停執(zhí)行指定時間段，遵循如下步驟：

1. 獲取Systick原始計數(shù)值；

   
   

2. 定義延時時間段；

   
   

3. 等待延時結(jié)束；

   
   

示例代碼如下：

Uint32_t tick,delayPeriod;

tick = osKernelSysTick(); //1

delayPeriod = osKernelTickMicroSec(100); //2

do{

....

}while((osKernelSysTick()-tick) < delayPeriod); //3

3.5空閑進程

空閑進程在系統(tǒng)沒有可用進程時被調(diào)用，以防止系統(tǒng)沒有進程可用。

空閑進程定義在RTX_Conf_CM.c中，并允許用戶自定義代碼。通常情況下，空閑進程中配置CPU進入低功耗狀態(tài)。如此一來，當(dāng)Systick中斷或其他中斷時喚醒調(diào)度，如有可運行進程則運行進程，否則繼續(xù)進入低功耗狀態(tài)。

示例代碼：Ex 7 Idle

四.信號Signal

4.1功能描述

CMSIS-RTOS keil RTX的進程支持多達(dá)16個信號，信號保存在進程控制塊中。當(dāng)進程中存在等待信號時（不管是單個等待信號還是多個等待信號），進程暫停執(zhí)行直至其他進程發(fā)出了被等待的信號。

調(diào)用信號等待函數(shù)，將觸發(fā)當(dāng)前進程中止運行并進入等待狀態(tài)。處于等待狀態(tài)的進程滿足以下兩個條件時退出等待，進入可被調(diào)度狀態(tài)：

1. 等待的信號被置位；

   
   

2. 等待的時間溢出；

   
   

信號等待函數(shù)原型：osEvent osSignalWait（uint32_t signals,uint32_t millisec）

等待時間設(shè)置為0fffff，表示始終不溢出；

等待時間設(shè)置為0時，表示任一信號置位即可引起中止等待；

其他進程可置位或清除等待信號：

Uint32_t osSignalSet(osThreadId thread_id,uint32_t signals)

Uint32_t osSignalClear(osThreadId thread_id,uint32_t signals)

另，調(diào)用osEvent.value.signals，返回值指示當(dāng)前被置位信號。

4.2例程

"Ex8 Signals"

4.3中斷進程ISR

CMSIS-RTOS使用Systick中斷作為系統(tǒng)時鐘。因Systick中斷的服務(wù)等級設(shè)定為最低級，當(dāng)中斷服務(wù)程序(ISR)的運行時間超出一個Systick中斷時，系統(tǒng)中斷將受到影響。

于是，在CMSIS-RTOS中，正確的處理方式是將中斷服務(wù)定義為一個進程，進程中等待信號。而在中斷服務(wù)中，僅僅給中斷進程發(fā)送信號。從而極大縮短中斷服務(wù)程序的長度，轉(zhuǎn)而在線程中執(zhí)行。

示例代碼：

osThreadDef(osThread(isr_thread),osPriorityNormal,1,0);

osThreadId Isr_thread_id = osThreadCreate(osThread(isr_thread),NULL);

中斷線程：void isr_thread(void const *pram)

{

....

While（1）

{

osSignalWait(isrSignal,waitForever);

.....

}

}

中斷服務(wù)程序：void IRQ_Handler(void)

{

osSignalSet(Isr_thread_id,isrSignal);

}

4.4內(nèi)核權(quán)限調(diào)用SVC

ARM處理器有兩種處理器模式：

主應(yīng)用程序（Thread mode 線程模式），用于執(zhí)行應(yīng)用程序。既可以使用特權(quán)級，也可以使用用戶級；
異常服務(wù)例程(Handler mode 處理者模式)，用于執(zhí)行異常。必須在特權(quán)級下執(zhí)行。

通過引入特權(quán)級和用戶級，就能夠在硬件水平上限制某些不受信任的或者還沒有調(diào)試好的程序，不讓它們隨便地配置涉及要害的寄存器，因而系統(tǒng)的可靠性得到了提高。

控制寄存器（CONTROL）
CONTROL[0]=1，用戶級un-privilege的線程模式
CONTROL[0]=0，特權(quán)級privilege的線程模式
CONTROL[1]=1，選擇使用PSP,推薦OS系統(tǒng)中的threads使用這個.
CONTROL[1]=0，選擇使用MSP,推薦kernel and exception handles use it.

CMSIS-RTOS運行在unprivilege模式下，當(dāng)需要在進程中訪問privilege資源時，有兩種方式：

1. 在配置文件中提升進程的權(quán)限至privilege狀態(tài)（如下圖所示），但會造成所有的進程運行在privilege模式下，影響系統(tǒng)安全。

   
   

參考例程"Ex9 interrupt signal"

1. 在需要privilege權(quán)限時運行"系統(tǒng)級"代碼。

   
   

4.4.1SVC

遵循如下步驟：

1. 新建"系統(tǒng)級"代碼列表（.s匯編文件），如下圖：

   
   

   
   

   
   

   SVC_Tables.s代碼如下：
   

   
   

   AREA SVC_TABLE, CODE, READONLY

   
   

   EXPORT SVC_Count

   
   

   SVC_Cnt EQU (SVC_End-SVC_Table)/4

   
   

   SVC_Count DCD SVC_Cnt

   
   

   ; Import user SVC functions here.

   
   

   IMPORT __SVC_1 //第一個"系統(tǒng)級"代碼

   
   

   EXPORT SVC_Table

   
   

   SVC_Table

   
   

   ; Insert user SVC functions here. SVC 0 used by RTL Kernel.

   
   

   DCD __SVC_1 ; user SVC function

   
   

   SVC_End

   
   

   END

   
   

   其中__SVC_1就是"系統(tǒng)級"用戶代碼函數(shù)。

   
   

2. 建立"系統(tǒng)級"代碼與"進程級"代碼接口，示例：

   
   

   void __svc(1) init_ADC (void);

   
   

   __svc(1)代表SVC_Tables.s中第一個"系統(tǒng)級"代碼，同樣如果有多個應(yīng)用，依次遞增即可。

   
   

3. 編寫"系統(tǒng)級"代碼，如下圖：

   
   

   Void __SVC_1 (void)

   
   

   {

   
   

   ......

   
   

   }

   
   

   在完成定義后，進程中調(diào)用init_ADC()將自動執(zhí)行__SVC_1()中的代碼。

   
   

五.信號量Semaphore

5.1功能描述

與信號類似，信號量是兩個或多個進程同步的方法。

信號量項是一個包含多個信號的容器。當(dāng)進程執(zhí)行到需要信號量的代碼段（進程申請信號量），如果信號量中有信號可用（包含不少于一個的信號），則進程繼續(xù)執(zhí)行，并且信號量中的信號數(shù)自減一。相反，如信號量中無信號可用（包含0個信號），則進程中止執(zhí)行并等待信號量中的信號可用。

同時，進程中可向信號量添加信號數(shù)目，從而引起信號量中的可用信號數(shù)增一。

如上圖。假定信號量初始化為只有一個可用信號，當(dāng)任務(wù)1提出申請時，信號量中含有1個可用信號，則任務(wù)1繼續(xù)執(zhí)行并引起信號量中的可用信號為0。此時任務(wù)2若提出申請因信號量中無可用信號，任務(wù)2進入信號量等待狀態(tài)，直至任務(wù)1釋放信號量。

可見，進程可以釋放信號給信號量。

5.2創(chuàng)建信號量

示例代碼：

osSemaphoreId sem1;

osSemaphoreDef(sem1);

sem1 = osSemaphoreCreate（osSemaphore(sem1),SIX_TOKENS）;

定義了一個含有6個可用信號的信號量sem1。

信號量初始化后，進程中即可申請信號量，使用函數(shù)：

osSemaphoreWait(osSemaphoreId sem_id,uint_32 millisec)

Millisec = 0xffff wait for ever

信號量使用結(jié)束后，釋放信號量，使用函數(shù)：

osSemaphoreRelease(osSemaphoreId sem_id);

5.3例程

Ex11 Interrupt Signals

5.4使用場景

5.4.1信號

兩個線程間同步執(zhí)行是信號量最基本的應(yīng)用。示例代碼：

osSemaphoreId sem_id;

osSemaphoreDef(sem_id);

void task1(void)

{

Sem_id = osSemaphoreCreate(osSemaphore(sem1),0);

While(1)

{

Fun(A);

osSemaphoreRelease(sem1);

}

}

Void task2(void)

{

While(1)

{

osSemaphoreWait(sem1,osWaitForever);

Fun(B);

}

}

在這個案例中，F(xiàn)un(A)始終先于Fun(B)執(zhí)行。

5.4.2限額

限額用于限制某些資源的配額。例如，某個指定的內(nèi)存塊只運行指定數(shù)目的應(yīng)用訪問。

如下例程，信號量初始化為5個信號，每個申請信號量的線程造成信號自減，當(dāng)獲取信號量的進程為5個時，后續(xù)申請信號量的進程進入等待狀態(tài)，直至已獲取配額的進程釋放信號量，代碼例程：

osThreadId sem_id;

osThreadDef(sem1);

Void task1(void)

{

Sem_id = osThreadCreate(osThread(sem1),5);

While(1)

{

osSemaphoreWait(sem1,osWaitForever);

ProcessBuffer();

osSemaphoreRelease(sem1);

}

}

Void task2(void)

{

While(1)

{

osSemaphoreWait(sem1,osWaitForever);

ProcessBuffer();

osSemaphoreRelease(sem1);

}

}

......

例程"Ex12 Multiplex"。

5.4.3互鎖（2個線程同步）

互鎖是兩個線程同步的另一種通用模式?；ユi確保兩個線程得到同一互鎖點。如下例程：

osSemaphoreId arrival1,arrival2;

osSemaphoreDef(sem1);

osSemaphoreDef(sem2);

Void task1(void)

{

arrival1 = osSemaphore(osSemephore(sem1),0);

arrival2= osSemaphore(osSemephore(sem2),0);

While(1)

{

FunA1();

osSemaphoreRelease(arrival2);

osSemaphoreWait(arrival1);

FunA2();

}

}

Void task2(void)

{

While(1)

{

FunB1();

osSemaphoreRelease(arrival1);

osSemaphoreWait(arrival2);

FunB2();

}

}

此例程中，確保FunA2()、FunB2()同步執(zhí)行。

5.4.4屏障（多個線程同步）

屏障是多個進程同步的有效模式，它的總體思路：設(shè)置一個初始化為0的信號量作為屏障，并在所有進程達(dá)到同步點時依次釋放屏障中的信號量，達(dá)到同步執(zhí)行的目的。

例程"Ex14 Barrier"

5.5注意事項

信號量是RTOS中極端有效的模式。然而，因信號量可在進程中增減甚至銷毀，信號量中可用配額數(shù)比較難把控，使用時必須實時把控可用配額數(shù)。

六.互斥量Mutex

6.1功能描述

單從功能來講，互斥量可以看做只含有一個可用配額且不可被創(chuàng)建和銷毀的特殊信號量?；コ饬恐饕糜诜乐箤τ布脑L問沖突，比如同一時刻只能有一個應(yīng)用訪問串口，否則將造成數(shù)據(jù)混亂。

申請互斥量的進程，必須等待互斥量中存在有效配額，否則進入等待狀態(tài)。

6.2創(chuàng)建互斥量

創(chuàng)建互斥量與創(chuàng)建信號量類似，示例代碼如下：

osMutexId    uart_mutex;

osMutexDef(Mutex1);

進程中創(chuàng)建互斥量：uart_mutex = osMutexCreate(osMutex(Mutex1));

其他進程申請互斥量：osMutexWait(uart_mutex);

使用完畢釋放互斥量：osMutexRelease(uart_mutex);

6.3例程

例程"Ex15 Mutex"

6.4注意事項

互斥量的使用限制多，也更安全，但扔要注意以下內(nèi)容：

1. 使用完畢必須及時釋放互斥量，否則將造成后續(xù)進程無法使用該資源；

   
   

2. 調(diào)用ThreadTerminate（）函數(shù)消亡進程時，必須確保該進程沒有占用互斥量，否則將造成后續(xù)進程無法使用該資源；

   
   

七.數(shù)據(jù)交換

信號、信號量、互斥量只用于進程之間的觸發(fā)，但對進程間的數(shù)據(jù)交換無能為力。進程間數(shù)據(jù)交換最簡單的方式是全局變量，但即使在簡單的系統(tǒng)中，把握和靈活應(yīng)用全局變量也是不小的挑戰(zhàn)，因為全局變量會引起一系列不可預(yù)知錯誤。

在RTOS中，消息隊列和郵箱隊列是進程間數(shù)據(jù)交互最為有效、安全的方式。

消息隊列和郵箱隊列的工作方式基本一樣，唯一的區(qū)別是消息隊列中傳輸?shù)氖谴粨Q數(shù)據(jù)，而郵箱隊列中傳輸是指向待交換數(shù)據(jù)的指針，如下圖所示：

使用消息隊列和郵箱隊列進行數(shù)據(jù)交換有如下好處：

1. 規(guī)范進程間數(shù)據(jù)交換的接口和緩存，為設(shè)計子系統(tǒng)提供可能；

   
   

2. 規(guī)范進程的輸入、輸出，使進程獨立測試、調(diào)試成為可能；

   
   

7.1消息隊列MessageQueue

7.1.1創(chuàng)建消息隊列

創(chuàng)建消息隊列，遵循如下步驟：

1. 聲明消息隊列ID，示例：osMessageQId Q_id；

   
   

2. 定義消息隊列結(jié)構(gòu)體，示例：osMessageQDef(Q1,16_Message_Slots,unsigned int)；其中16_Message_Slots指示空間大小為16，unsigned int指示空間類型；

   
   

3. 在進程中創(chuàng)建消息隊列，示例：Q_id = osMessageQCreate(osMessageQ(Q1),NULL)；

   
   

4. 聲明解析消息隊列數(shù)據(jù)的osEvent類型數(shù)據(jù)，示例：osEvent result；

   
   

5. 在進程中發(fā)送數(shù)據(jù)到消息隊列，例程：osMessagePut(Q_id,Data,osWaitForever)；

   
   

6. 在另一進程中獲取消息隊列數(shù)據(jù)，例程：result = osMessageGet(Q_id,osWaitForever)；result.value.xxx；

   
   

其中，osEvent是個union結(jié)構(gòu)體，如下所示：

Union{

Uint32_t v;

Void *p;

Uint32_t signals;

}value

7.1.2例程

"Ex16 Message queue"

7.2內(nèi)存鏈Memory Pool

7.2.1功能描述

消息隊列中的數(shù)據(jù)類型可以是數(shù)據(jù)本身，也可以是指向數(shù)據(jù)的指針。

消息隊列中存儲的數(shù)據(jù)是指向特定內(nèi)存區(qū)域的指針，這樣的進程間交換數(shù)據(jù)的方式成為內(nèi)存鏈。

結(jié)構(gòu)體可以達(dá)到規(guī)范化特定內(nèi)存區(qū)域的目的。

7.2.2創(chuàng)建內(nèi)存鏈

創(chuàng)建內(nèi)存鏈，遵循如下步驟：

1.定義結(jié)構(gòu)體，用于規(guī)范內(nèi)存塊及初始化指針，示例：

Typedef    struct {

Uint8_t led1;

Uint8_t led2;

Uint8_t led3;

Uint8_t led4;

}memory_block_t;

2.初始化內(nèi)存鏈，示例：

osPoolId pool_id;

osPoolDef(pool_t,ten_blocks,memory_block_t);

在進程中創(chuàng)建pool_id = osPoolCreate(osPool(pool_t));

3.初始化消息隊列，示例：

osMessageQDef(q1,ten_blocks,memory_block_t);

osMessageQid q_id;

在進程中創(chuàng)建：q_id = osMessageQCreate(osMessageQ(q1),NULL);

4.發(fā)送消息隊列，示例：

memory_block_t *led = (memory_block_t *)osPoolAlloc(pool_id);

led->led1 = xx;....

osMessagePut(q_id,led,osWaitForever);

5.讀取消息隊列，示例：

osEvent evt;

evt = osMessageGet(q_id,osWaitForever);

memory_block_t *temp = (memory_block_t *)evt.value.p;

6.使用完畢釋放內(nèi)存鏈：示例：

osPoolFree(pool_id,temp);

7.2.3例程

"Ex16 MemoryPool"

7.3郵箱隊列MailQueue

7.3.1功能描述

郵箱隊列是將內(nèi)存鏈融合到消息隊列中而成，郵箱隊列中存儲的同樣是指向特定內(nèi)存區(qū)域的指針。

7.3.2創(chuàng)建郵箱隊列

同樣采用7.2.2中的結(jié)構(gòu)體作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，Typedef    struct {

Uint8_t led1;

Uint8_t led2;

Uint8_t led3;

Uint8_t led4;

}memory_block_t;

創(chuàng)建郵箱隊列遵循如下步驟：

1.創(chuàng)建郵箱隊列，例程：

osMailQDef(MQ_1,ten_blocks,memory_block_t);

osMailQId mq_id;

進程中創(chuàng)建，mq_id = osMailQCreate(osMailQ(MQ_1),NULL);

2.發(fā)送數(shù)據(jù)，例程：

Memory_block_t *led = (memory_block_t *)osMailAlloc(mq_id);

led->led1 = xx;....

osMailQPut(mq_id,led);

3.讀取數(shù)據(jù)，例程：

osEvent evt;

evt = osMailGet(mq_id,osWaitForever);

Memory_block_t *temp = (memory_block_t *)evt.value.p;

4.使用完畢釋放郵箱隊列，示例：

osMailFree(mq_id,temp);

7.3.3例程

"Ex17 MailQueue"

八.系統(tǒng)配置

掌握前面的內(nèi)容，對CMSIS-RTOS有了總體的認(rèn)識。CMSIS-RTOS包括進程管理、時間管理、進程間通訊等。

本章著力于討論如何配置系統(tǒng)。CMSIS-RTOS針對基于Cortex-M構(gòu)架的處理器，提供一個統(tǒng)一的配置文件，RTX_Conf_CM.c包含三個部分：

#include "cmsis_os.h"

RTX user configuration part

#include "RTX_CM_lib.h"

如下圖：

8.1進程參數(shù)

在討論進程的相關(guān)章節(jié)中一經(jīng)接受了創(chuàng)建進程的基礎(chǔ)知識。

每個進程，系統(tǒng)分配一塊內(nèi)存空間用作進程棧（默認(rèn)200bytes），棧空間在進程創(chuàng)建時指定。

應(yīng)用中最多允許運行的進程數(shù)可配置。

由于進程棧空間、進程數(shù)可配置，應(yīng)用中的內(nèi)存需求也可很容易的計算出來。

8.2內(nèi)核調(diào)試支持

內(nèi)核可配置項，包括：

8.2.1追蹤溢出

選擇該項"stack overflow checking"，出現(xiàn)進程棧溢出RTOS內(nèi)核調(diào)用os_error函數(shù)并進入死循環(huán)。該項主要用于調(diào)試階段的問題追蹤，當(dāng)然也可自定義os_error函數(shù)用于最終的應(yīng)用中打印錯誤信息，os_error代碼在RTX_CONF_CM.C文件中，源碼：

/* OS Error Codes */

#define OS_ERROR_STACK_OVF 1

#define OS_ERROR_FIFO_OVF 2

#define OS_ERROR_MBX_OVF 3

#define OS_ERROR_TIMER_OVF 4

extern osThreadId svcThreadGetId (void);

/// \brief Called when a runtime error is detected

/// \param[in] error_code actual error code that has been detected

void os_error (uint32_t error_code) {

/* HERE: include optional code to be executed on runtime error. */

switch (error_code) {

case OS_ERROR_STACK_OVF:

/* Stack overflow detected for the currently running task. */

/* Thread can be identified by calling svcThreadGetId(). */

break;

case OS_ERROR_FIFO_OVF:

/* ISR FIFO Queue buffer overflow detected. */

break;

case OS_ERROR_MBX_OVF:

/* Mailbox overflow detected. */

break;

case OS_ERROR_TIMER_OVF:

/* User Timer Callback Queue overflow detected. */

break;

default:

break;

}

for (;;);

}

8.2.2監(jiān)控棧使用率

選擇"stack usage watermark"項，oxcc樣式自動寫入進程棧。運行時，watermark用于計算最大棧內(nèi)存使用率，并在"system and Event viewer"窗口報告，如下圖所示：

8.2.3用戶定時器數(shù)

如用戶定時器數(shù)量與應(yīng)用中使用的虛擬定時器不符，會造成os_timer()函數(shù)失效。

8.2.4進程運行權(quán)限選擇

如"Ex9 interruter signal"，進程運行權(quán)限可配置。

8.3系統(tǒng)時基

默認(rèn)的系統(tǒng)時基是Cortex-M中的SysTick定時器。但，也支持自定義使用其他定時器作為系統(tǒng)時基。

8.4時間片

默認(rèn)的時間片是5ms。

8.5調(diào)度選項

調(diào)度器支持如下三種調(diào)度模式：

1.搶占式

此模式下，系統(tǒng)中進程擁有不同的優(yōu)先級，當(dāng)擁有高優(yōu)先級的進程進入"ready"狀態(tài)，調(diào)度器轉(zhuǎn)入高優(yōu)先級進程運行。

2.輪詢式

此模式下，系統(tǒng)根據(jù)時間片為每個進程分配運行時間，處于運行態(tài)的進程在時間片到來時觸發(fā)調(diào)度（注意，即使高優(yōu)先級的進程進入"ready"狀態(tài)也要等時間片結(jié)束）。

3.輪詢、搶占式（默認(rèn)狀態(tài)）

此模式下，系統(tǒng)根據(jù)時間片為每個進程分配運行時間，處于運行態(tài)的進程在時間片到來時或高優(yōu)先級的進程進入"ready"態(tài)觸發(fā)調(diào)度（注意，高優(yōu)先級的進程進入"ready"狀態(tài)將馬上觸發(fā)調(diào)度）。

4.協(xié)同式

此模式下，進程擁有相同的優(yōu)先級，有且僅有運行態(tài)的進程主動申請系統(tǒng)調(diào)度才會引起調(diào)度。

8.6源碼調(diào)試

如果用戶需要源碼級別的調(diào)試，遵循如下步驟：

1. 新建文本文件，命名為"xxx.ini"；

   
   

2. "xxx.ini"中添加，SET SRC =，其中是RTX源碼的文件夾，默認(rèn)是C:\Keil\ARM\pack\arm\cmsis\\cmsis\rots\rtx。

   
   

3. 在調(diào)試文件中導(dǎo)入"xxx.ini"，如下圖所示：

   
   

注："xxx.ini"中xxx代表任意長度滿足PC操作系統(tǒng)命名規(guī)格的字符串。