基于M D K RTX的COrtex—M3多任務(wù)應(yīng)用設(shè)計
MDK開發(fā)套件源自德國Keil公司，是ARM公司目前最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。MDKRL—IUX是一個實時操作系統(tǒng)(RTOS)內(nèi)核，完全集成在MDK編譯器中。廣泛應(yīng)用于ARM7、ARM9和Cortex-M3設(shè)備中。它可以靈活解決多任務(wù)調(diào)度、維護(hù)和時序安排等問題。基于RL—I訂X的程序由標(biāo)準(zhǔn)的C語言編寫，由Real—View編譯器進(jìn)行編譯。操作系統(tǒng)依附于C語言使聲明函數(shù)更容易，不需要復(fù)雜的堆棧和變量結(jié)構(gòu)配置，大大簡化了復(fù)雜的軟件設(shè)計，縮短了項目開發(fā)周期。
Cortex—M3是一個32位的核。它是首個基于ARMv7M架構(gòu)，主要針對價格敏感但又具備高系統(tǒng)效能需求的嵌入式應(yīng)用設(shè)計，如微控制器、汽車車體系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)裝置等。它內(nèi)核緊湊，性能更高，采用了Thumb一2指令集架構(gòu)，中斷時間更短，標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)存映射，帶有內(nèi)置SysTick的集成式NVIC。SysTick能定期地產(chǎn)生異常請求，作為系統(tǒng)的時基，計時更準(zhǔn)確。
MDK RL—RTX和Cortex—M3都源自ARM公司。ARM公司將其無縫整合在MDK開發(fā)套件中，因此將RL—RTX移植到Cortex—M3上非常適合。RL—RTX作為一個全功能的內(nèi)核，可以結(jié)合實時軟件庫中的其他組件。例如，加入實時庫中RL—Flasht文件系統(tǒng)組件，就可以讀寫標(biāo)準(zhǔn)SD卡和MMC卡上面的文件；加入RL—TCPnet組件，可應(yīng)用于HTTP Web，ServeI’、TFTP Server和SMTP Client等?？蓴U(kuò)展性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。
2 基于COrtex—M3硬件平臺的構(gòu)建
STM32F103VB是ST公司基于Cortex—M3的處理器。它有1個128 KB Flash，1個20 KB SRAM，4個16位定時器，100個可編程的I／0引腳，具有I2C、SPI、USB、15SART和CAN接口，2路10通道12位A／D轉(zhuǎn)換器，RTC功能模塊，WDT功能和高級電源管理功能。
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存RAM和程序存儲器Flash為芯片自帶，系統(tǒng)外接A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成控制器。基于Cortex-M3核的最小系統(tǒng)框圖如圖1所示。
基于該平臺，設(shè)計一個超溫報警器。使用美國半導(dǎo)體Dalias公司的智能溫度傳感器DS18820采樣，LCD顯示溫度數(shù)值，如果短時間內(nèi)溫度超出正常溫度，蜂鳴器發(fā)出100 dB警報且LED燈閃爍示警?？梢赃M(jìn)一步在該平臺上進(jìn)行擴(kuò)展，加入GPS和GPRS模塊，當(dāng)溫度超出設(shè)定范圍時，GPS將現(xiàn)場經(jīng)緯度以及時間通過GPRS以短信方式發(fā)送給監(jiān)控中心，GPRS模塊自動撥打有關(guān)人員移動電話或固定電話報警。
3 MDK RL—RTX的配置與移植
RL—RTX在任務(wù)管理方面不僅支持搶先式任務(wù)切換，而且支持時間片輪轉(zhuǎn)切換。在基于時間片的輪轉(zhuǎn)任務(wù)機(jī)制下，CPIJ的執(zhí)行時間被劃分為若干時間片，由RL—RTX分配一個時間片給每個任務(wù)，在該時間片內(nèi)只執(zhí)行這個任務(wù)。當(dāng)時間片到，在下一個時間片中無條件地執(zhí)行另外一個任務(wù)。所有任務(wù)都輪詢一次后，再回頭執(zhí)行第一個任務(wù)。
RL—RTX最多可以定義256個任務(wù)，所有任務(wù)都可以同時激活成為就緒態(tài)。RL—RTX用戶任務(wù)具有表1所列的幾個狀態(tài)。
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一般情況下，任務(wù)切換由時間片控制，但有時需要用事件控制任務(wù)切換。RL—RTX事件主要有超時(Timeout)、間隔(Interval)和信號(Signal)三種。
Timeout：掛起運行任務(wù)指定數(shù)量的時鐘周期，調(diào)用OS_DLY_WAIT函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到延時結(jié)束才返回到Ready狀態(tài)，并可被再次執(zhí)行。延時時間由SysTick衡量，可以設(shè)置從1至OxFFFE的任何值。
Interval：時間間隔，任務(wù)在該時間間隔中不運行，該時問間隔與任務(wù)執(zhí)行時間獨立。
Signal：用于任務(wù)間通信，可以用系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行置位或復(fù)位。如果一個任務(wù)調(diào)用了wait函數(shù)等待Signal未置位，則該任務(wù)被掛起直到Signal置位，才返回READY狀態(tài)，可再被執(zhí)行。
RL—RTX中主要的系統(tǒng)函數(shù)說明如表2所列。
RL—RTX為每個任務(wù)都分配了一個單獨的堆棧區(qū)，各個任務(wù)所用堆棧位置是動態(tài)的，用task_id記錄各堆棧棧底位置。有多個嵌套子程序調(diào)用或使用大量的動態(tài)變量時，自由空間會被用完。使能棧檢查(Stack Checking)，系統(tǒng)會執(zhí)行OS_STK_0VERFLOW()堆棧錯誤函數(shù)進(jìn)行堆棧出錯處理。RL—RTX堆棧管理如圖2所示。
RL—RTX選擇Cortex上定時器1產(chǎn)生周期性中斷，相鄰中斷之間的時間就是時間片的長度。在其中斷服務(wù)程序中進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，并判斷執(zhí)行了延遲函數(shù)的任務(wù)的延時時間是否到。這種周期性的中斷形成了RL—RTX的時鐘節(jié)拍。采用Cortex—M3的處理器STM32F103VB的CPU時鐘頻率為72 MHz，VPBDIV分頻值為4，輸出的時鐘頻率為18 MHz。系統(tǒng)推薦的時間片為1～lOO ms。
使用RL—RTX，包含以下幾個步驟：
第1步，由于RL—RTX集成在MDK開發(fā)套件中，在使用MDK創(chuàng)建工程后，需要在工程中添加RTX內(nèi)核選項。選擇Project→Options for Target，在Operating下拉框中選擇RTX內(nèi)核，使得在編譯時把RL—RTX所需的庫編譯進(jìn)去。
第2步，在嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)中使用RL—RTX內(nèi)核，須對其進(jìn)行配置。復(fù)制＼Keil＼ARM＼Startup目錄下RTX_Config．c文件到工程文件夾并添加到工程中。該文件中，部分配置參數(shù)說明如表3所列。
基于Cortex—M3平臺的超溫報警器，可以設(shè)計3個任務(wù)并發(fā)，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。3個任務(wù)較小，系統(tǒng)安排的任務(wù)棧足夠使用，棧的容量以32位無符號整型定義，容量為64字。選擇硬件平臺片上定時器1。
DSl8820具有300 ms的更新速率，在采集數(shù)據(jù)過程中，通過多次采集取平均值，數(shù)據(jù)采集任務(wù)執(zhí)行的時間為30 ms，數(shù)據(jù)處理任務(wù)執(zhí)行時間為40 ms，數(shù)據(jù)顯示任務(wù)執(zhí)行時間為20 ms。根據(jù)公式，對響應(yīng)時間的要求：t(響應(yīng)時間)=N(進(jìn)程數(shù)目)×q(時間片)?？傮w響應(yīng)時間為90 ms，進(jìn)程數(shù)目為3，因此時間片設(shè)置為30 ms合適。在任務(wù)OS_IDLE_DEMON()中添加休眠代碼，空閑時系統(tǒng)休眠，降低功耗。
第3步，復(fù)制＼Keil＼ARM＼Startup下Retarget．c文件到工程文件夾中，并添加到工程中。
修改文件，使其包含如下內(nèi)容：
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該文件的目的是避免半主機(jī)方式軟件中斷，因為這時所有中斷都由RL—RTX統(tǒng)一管理。半主機(jī)是用于ARM目標(biāo)的一種機(jī)制，可將來自應(yīng)用程序代碼的輸入／輸出請求傳送至運行調(diào)試器的主機(jī)。它由一組已定義的SWI操作來實現(xiàn)。庫函數(shù)調(diào)用相應(yīng)的SWI(軟件中斷)，然后調(diào)試代理程序處理SWI異常，并提供所需的與主機(jī)之間的通信。
4 應(yīng)用設(shè)計
4．1 多任務(wù)應(yīng)用設(shè)計
根據(jù)圖1所示的最小系統(tǒng)框圖，采用由表及里(out—side-in approach)分解應(yīng)用的方法設(shè)計多任務(wù)。該應(yīng)用的上下文框圖如圖3所示，中間的圈表示軟件應(yīng)用，矩形框表示應(yīng)用的輸入和輸出設(shè)備。箭頭標(biāo)有具體含義名，表示輸入和輸出通信的流程。
根據(jù)上下文框圖以及避免“資源沖突”原則，將對同一個外設(shè)的訪問放在同一個設(shè)備中，無論何時切換任務(wù)，都不會對任何獨立的“外設(shè)”造成影響。
將應(yīng)用分解為4個任務(wù)，RL—RTX的第一個任務(wù)必須是系統(tǒng)任務(wù)Init Task，該任務(wù)用來初始化其他3個任務(wù)，任務(wù)創(chuàng)建完畢后，3個任務(wù)都處于READY狀態(tài)；第2個任務(wù)t_phase_ADC Task用來讀取A／D采樣的數(shù)據(jù)；第3個任務(wù)t_phase_DEA Task用來處理采樣的數(shù)據(jù)；第4個任務(wù)t_phase_DIS Task用來將數(shù)據(jù)送到LCD液晶屏上，顯示、控制LED燈閃爍和蜂鳴器高頻報警。圖4顯示了任務(wù)觸發(fā)的流程。
定義任務(wù)：
使用os_tsk_create創(chuàng)建任務(wù)t_phase_ADC、t_phase_DEA、t_phase_DIS。
os_tsk_delete_self刪除自身任務(wù)，實現(xiàn)任務(wù)切換。任務(wù)的創(chuàng)建和初始化是在主函數(shù)中定義的：
任務(wù)初始化完畢后，3個任務(wù)都處于就緒狀態(tài)。t_phase_ADC任務(wù)用來采樣，多次采樣取平均值，通過給任務(wù)t_phase_DEA發(fā)信號signal_func(t_phase_DEA)，喚醒t_phase_DEA任務(wù)。
os_evt_wait_and進(jìn)行控制。該任務(wù)判斷采樣的數(shù)據(jù)是否在警戒溫度范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)溫度異常，置標(biāo)志位為1。執(zhí)行完自身任務(wù)后，通過signal_func(t_phase_DIS)，將喚醒t_phase_DIS任務(wù)。
t_phase_DIS任務(wù)用來在LCD液晶屏上顯示溫度值。如果發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位為1，則LED燈閃爍和蜂鳴器高頻報警。
4．2 應(yīng)用設(shè)計測試
采用基本RMA可調(diào)度性測試。式1用來完成系統(tǒng)的基本RMA可調(diào)度性測試。
這里：Ci為與周期性任務(wù)i相關(guān)的最壞執(zhí)行時間，Ti為與任務(wù)i相關(guān)的周期，n為任務(wù)的個數(shù)。
U(n)是利用系數(shù)，式1的右邊是理論處理器利用率的上界。如果給定一組任務(wù)，其處理器利用率小于理論利用率上界，則這組任務(wù)是可調(diào)度的。U的值隨n的增加而下降；當(dāng)n的值為無限時，最終收斂于69％。
表4總結(jié)了使用RMA進(jìn)行調(diào)度的3個任務(wù)的特性。
使用式1，該應(yīng)用設(shè)計處理器利用率計算如下：
應(yīng)用設(shè)計總的利用率是27．42％，低于78％的理論邊界。此4個任務(wù)的系統(tǒng)是可調(diào)度的，該應(yīng)用設(shè)計是成功的。
結(jié) 語
本文描述了如何在Cortex—M3上使用MDK RL—RTX的方法，并給出了一個簡單的多任務(wù)應(yīng)用設(shè)計?？梢钥闯龆嗳蝿?wù)的程序設(shè)計被大大簡化了，它不但滿足多個任務(wù)的時間要求，降低了開發(fā)難度，而且程序的可讀性和可維護(hù)性也有了很大的提高。利用MDK RL—RTX構(gòu)建的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)具有成本低、性能高等特點，應(yīng)用廣泛，有著良好的發(fā)展前景。
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