1 MDK RL—RTX和COrtex—M3概述
    MDK開(kāi)發(fā)套件源自德國(guó)Keil公司，是ARM公司目前最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開(kāi)發(fā)工具。MDKRL—IUX是一個(gè)實(shí)時(shí)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(shí)序安排等問(wèn)題?；赗L—I訂X的程序由標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言編寫(xiě)，由Real—View編譯器進(jìn)行編譯。操作系統(tǒng)依附于C語(yǔ)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(jiǎn)化了復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)，縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。
    Cortex—M3是一個(gè)32位的核。它是首個(gè)基于ARMv7M架構(gòu)，主要針對(duì)價(jià)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(jì)，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(shí)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(qǐng)求，作為系統(tǒng)的時(shí)基，計(jì)時(shí)更準(zhǔn)確。
    MDK RL—RTX和Cortex—M3都源自ARM公司。ARM公司將其無(wú)縫整合在MDK開(kāi)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(gè)全功能的內(nèi)核，可以結(jié)合實(shí)時(shí)軟件庫(kù)中的其他組件。例如，加入實(shí)時(shí)庫(kù)中RL—Flasht文件系統(tǒng)組件，就可以讀寫(xiě)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(tái)的構(gòu)建
    STM32F103VB是ST公司基于Cortex—M3的處理器。它有1個(gè)128 KB Flash，1個(gè)20 KB SRAM，4個(gè)16位定時(shí)器，100個(gè)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(jí)電源管理功能。
    系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存RAM和程序存儲(chǔ)器Flash為芯片自帶，系統(tǒng)外接A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成控制器?；贑ortex-M3核的最小系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    基于該平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)超溫報(bào)警器。使用美國(guó)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(shí)間內(nèi)溫度超出正常溫度，蜂鳴器發(fā)出100 dB警報(bào)且LED燈閃爍示警?？梢赃M(jìn)一步在該平臺(tái)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(shí)，GPS將現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)緯度以及時(shí)間通過(guò)GPRS以短信方式發(fā)送給監(jiān)控中心，GPRS模塊自動(dòng)撥打有關(guān)人員移動(dòng)電話或固定電話報(bào)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(shí)間片輪轉(zhuǎn)切換。在基于時(shí)間片的輪轉(zhuǎn)任務(wù)機(jī)制下，CPIJ的執(zhí)行時(shí)間被劃分為若干時(shí)間片，由RL—RTX分配一個(gè)時(shí)間片給每個(gè)任務(wù)，在該時(shí)間片內(nèi)只執(zhí)行這個(gè)任務(wù)。當(dāng)時(shí)間片到，在下一個(gè)時(shí)間片中無(wú)條件地執(zhí)行另外一個(gè)任務(wù)。所有任務(wù)都輪詢一次后，再回頭執(zhí)行第一個(gè)任務(wù)。
    RL—RTX最多可以定義256個(gè)任務(wù)，所有任務(wù)都可以同時(shí)激活成為就緒態(tài)。RL—RTX用戶任務(wù)具有表1所列的幾個(gè)狀態(tài)。

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    一般情況下，任務(wù)切換由時(shí)間片控制，但有時(shí)需要用事件控制任務(wù)切換。RL—RTX事件主要有超時(shí)(Timeout)、間隔(Interval)和信號(hào)(Signal)三種。
    Timeout：掛起運(yùn)行任務(wù)指定數(shù)量的時(shí)鐘周期，調(diào)用OS_DLY_WAIT函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到延時(shí)結(jié)束才返回到Ready狀態(tài)，并可被再次執(zhí)行。延時(shí)時(shí)間由SysTick衡量，可以設(shè)置從1至OxFFFE的任何值。
    Interval：時(shí)間間隔，任務(wù)在該時(shí)間間隔中不運(yùn)行，該時(shí)問(wèn)間隔與任務(wù)執(zhí)行時(shí)間獨(dú)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(gè)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(shuō)明如表2所列。

    RL—RTX為每個(gè)任務(wù)都分配了一個(gè)單獨(dú)的堆棧區(qū)，各個(gè)任務(wù)所用堆棧位置是動(dòng)態(tài)的，用task_id記錄各堆棧棧底位置。有多個(gè)嵌套子程序調(diào)用或使用大量的動(dòng)態(tài)變量時(shí)，自由空間會(huì)被用完。使能棧檢查(Stack Checking)，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行OS_STK_0VERFLOW()堆棧錯(cuò)誤函數(shù)進(jìn)行堆棧出錯(cuò)處理。RL—RTX堆棧管理如圖2所示。

    RL—RTX選擇Cortex上定時(shí)器1產(chǎn)生周期性中斷，相鄰中斷之間的時(shí)間就是時(shí)間片的長(zhǎng)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(shí)時(shí)間是否到。這種周期性的中斷形成了RL—RTX的時(shí)鐘節(jié)拍。采用Cortex—M3的處理器STM32F103VB的CPU時(shí)鐘頻率為72 MHz，VPBDIV分頻值為4，輸出的時(shí)鐘頻率為18 MHz。系統(tǒng)推薦的時(shí)間片為1～lOO ms。
    使用RL—RTX，包含以下幾個(gè)步驟：
    第1步，由于RL—RTX集成在MDK開(kāi)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(xiàng)。選擇Project→Options for Target，在Operating下拉框中選擇RTX內(nèi)核，使得在編譯時(shí)把RL—RTX所需的庫(kù)編譯進(jìn)去。
    第2步，在嵌入式應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)中使用RL—RTX內(nèi)核，須對(duì)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(shuō)明如表3所列。

    基于Cortex—M3平臺(tái)的超溫報(bào)警器，可以設(shè)計(jì)3個(gè)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(gè)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(wú)符號(hào)整型定義，容量為64字。選擇硬件平臺(tái)片上定時(shí)器1。
    DSl8820具有300 ms的更新速率，在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，通過(guò)多次采集取平均值，數(shù)據(jù)采集任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間為30 ms，數(shù)據(jù)處理任務(wù)執(zhí)行時(shí)間為40 ms，數(shù)據(jù)顯示任務(wù)執(zhí)行時(shí)間為20 ms。根據(jù)公式，對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求：t(響應(yīng)時(shí)間)=N(進(jìn)程數(shù)目)×q(時(shí)間片)?？傮w響應(yīng)時(shí)間為90 ms，進(jìn)程數(shù)目為3，因此時(shí)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(shí)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?yàn)檫@時(shí)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(lái)自應(yīng)用程序代碼的輸入／輸出請(qǐng)求傳送至運(yùn)行調(diào)試器的主機(jī)。它由一組已定義的SWI操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。庫(kù)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(jì)
4．1 多任務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)
    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(jì)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(duì)同一個(gè)外設(shè)的訪問(wèn)放在同一個(gè)設(shè)備中，無(wú)論何時(shí)切換任務(wù)，都不會(huì)對(duì)任何獨(dú)立的“外設(shè)”造成影響。
    將應(yīng)用分解為4個(gè)任務(wù)，RL—RTX的第一個(gè)任務(wù)必須是系統(tǒng)任務(wù)Init Task，該任務(wù)用來(lái)初始化其他3個(gè)任務(wù)，任務(wù)創(chuàng)建完畢后，3個(gè)任務(wù)都處于READY狀態(tài)；第2個(gè)任務(wù)t_phase_ADC Task用來(lái)讀取A／D采樣的數(shù)據(jù)；第3個(gè)任務(wù)t_phase_DEA Task用來(lái)處理采樣的數(shù)據(jù)；第4個(gè)任務(wù)t_phase_DIS Task用來(lái)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(bào)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(shí)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(gè)任務(wù)都處于就緒狀態(tài)。t_phase_ADC任務(wù)用來(lái)采樣，多次采樣取平均值，通過(guò)給任務(wù)t_phase_DEA發(fā)信號(hào)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(guò)signal_func(t_phase_DIS)，將喚醒t_phase_DIS任務(wù)。

   
    t_phase_DIS任務(wù)用來(lái)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(bào)警。
4．2 應(yīng)用設(shè)計(jì)測(cè)試
    采用基本RMA可調(diào)度性測(cè)試。式1用來(lái)完成系統(tǒng)的基本RMA可調(diào)度性測(cè)試。

   
這里：Ci為與周期性任務(wù)i相關(guān)的最壞執(zhí)行時(shí)間，Ti為與任務(wù)i相關(guān)的周期，n為任務(wù)的個(gè)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(wú)限時(shí)，最終收斂于69％。
    表4總結(jié)了使用RMA進(jìn)行調(diào)度的3個(gè)任務(wù)的特性。

使用式1，該應(yīng)用設(shè)計(jì)處理器利用率計(jì)算如下：

應(yīng)用設(shè)計(jì)總的利用率是27．42％，低于78％的理論邊界。此4個(gè)任務(wù)的系統(tǒng)是可調(diào)度的，該應(yīng)用設(shè)計(jì)是成功的。

結(jié) 語(yǔ)
    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(gè)簡(jiǎn)單的多任務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)。可以看出多任務(wù)的程序設(shè)計(jì)被大大簡(jiǎn)化了，它不但滿足多個(gè)任務(wù)的時(shí)間要求，降低了開(kāi)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(diǎn)，應(yīng)用廣泛，有著良好的發(fā)展前景。