基于M D K RTX的COrtex—M3多任务应用设计

1 MDK RL—RTX和COrtex—M3概述
    MDK开发套件源自德国Keil公司，是ARM公司目前最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。MDKRL—IUX是一个实时操作系统(RTOS)内核，完全集成在MDK编译器中。广泛应用于ARM7、ARM9和Cortex-M3设备中。它可以灵活解决多任务调度、维护和时序安排等问题。基于RL—I订X的程序由标准的C语言编写，由Real—View编译器进行编译。操作系统依附于C语言使声明函数更容易，不需要复杂的堆栈和变量结构配置，大大简化了复杂的软件设计，缩短了项目开发周期。
    Cortex—M3是一个32位的核。它是首个基于ARMv7M架构，主要针对价格敏感但又具备高系统效能需求的嵌入式应用设计，如微控制器、汽车车体系统及网络装置等。它内核紧凑，性能更高，采用了Thumb一2指令集架构，中断时间更短，标准化内存映射，带有内置SysTick的集成式NVIC。SysTick能定期地产生异常请求，作为系统的时基，计时更准确。
    MDK RL—RTX和Cortex—M3都源自ARM公司。ARM公司将其无缝整合在MDK开发套件中，因此将RL—RTX移植到Cortex—M3上非常适合。RL—RTX作为一个全功能的内核，可以结合实时软件库中的其他组件。例如，加入实时库中RL—Flasht文件系统组件，就可以读写标准SD卡和MMC卡上面的文件；加入RL—TCPnet组件，可应用于HTTP Web，ServeI’、TFTP Server和SMTP Client等。可扩展性强，应用广泛。

2 基于COrtex—M3硬件平台的构建
    STM32F103VB是ST公司基于Cortex—M3的处理器。它有1个128 KB Flash，1个20 KB SRAM，4个16位定时器，100个可编程的I／0引脚，具有I2C、SPI、USB、15SART和CAN接口，2路10通道12位A／D转换器，RTC功能模块，WDT功能和高级电源管理功能。
    系统的数据缓存RAM和程序存储器Flash为芯片自带，系统外接A／D转换器构成控制器。基于Cortex-M3核的最小系统框图如图1所示。

    基于该平台，设计一个超温报警器。使用美国半导体Dalias公司的智能温度传感器DS18820采样，LCD显示温度数值，如果短时间内温度超出正常温度，蜂鸣器发出100 dB警报且LED灯闪烁示警。可以进一步在该平台上进行扩展，加入GPS和GPRS模块，当温度超出设定范围时，GPS将现场经纬度以及时间通过GPRS以短信方式发送给监控中心，GPRS模块自动拨打有关人员移动电话或固定电话报警。

3 MDK RL—RTX的配置与移植
    RL—RTX在任务管理方面不仅支持抢先式任务切换，而且支持时间片轮转切换。在基于时间片的轮转任务机制下，CPIJ的执行时间被划分为若干时间片，由RL—RTX分配一个时间片给每个任务，在该时间片内只执行这个任务。当时间片到，在下一个时间片中无条件地执行另外一个任务。所有任务都轮询一次后，再回头执行第一个任务。
    RL—RTX最多可以定义256个任务，所有任务都可以同时激活成为就绪态。RL—RTX用户任务具有表1所列的几个状态。

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    一般情况下，任务切换由时间片控制，但有时需要用事件控制任务切换。RL—RTX事件主要有超时(Timeout)、间隔(Interval)和信号(Signal)三种。
    Timeout：挂起运行任务指定数量的时钟周期，调用OS_DLY_WAIT函数的任务将被挂起，直到延时结束才返回到Ready状态，并可被再次执行。延时时间由SysTick衡量，可以设置从1至OxFFFE的任何值。
    Interval：时间间隔，任务在该时间间隔中不运行，该时问间隔与任务执行时间独立。
    Signal：用于任务间通信，可以用系统函数进行置位或复位。如果一个任务调用了wait函数等待Signal未置位，则该任务被挂起直到Signal置位，才返回READY状态，可再被执行。
    RL—RTX中主要的系统函数说明如表2所列。

    RL—RTX为每个任务都分配了一个单独的堆栈区，各个任务所用堆栈位置是动态的，用task_id记录各堆栈栈底位置。有多个嵌套子程序调用或使用大量的动态变量时，自由空间会被用完。使能栈检查(Stack Checking)，系统会执行OS_STK_0VERFLOW()堆栈错误函数进行堆栈出错处理。RL—RTX堆栈管理如图2所示。

    RL—RTX选择Cortex上定时器1产生周期性中断，相邻中断之间的时间就是时间片的长度。在其中断服务程序中进行任务调度，并判断执行了延迟函数的任务的延时时间是否到。这种周期性的中断形成了RL—RTX的时钟节拍。采用Cortex—M3的处理器STM32F103VB的CPU时钟频率为72 MHz，VPBDIV分频值为4，输出的时钟频率为18 MHz。系统推荐的时间片为1～lOO ms。
    使用RL—RTX，包含以下几个步骤：
    第1步，由于RL—RTX集成在MDK开发套件中，在使用MDK创建工程后，需要在工程中添加RTX内核选项。选择Project→Options for Target，在Operating下拉框中选择RTX内核，使得在编译时把RL—RTX所需的库编译进去。
    第2步，在嵌入式应用程序的开发中使用RL—RTX内核，须对其进行配置。复制＼Keil＼ARM＼Startup目录下RTX_Config．c文件到工程文件夹并添加到工程中。该文件中，部分配置参数说明如表3所列。

    基于Cortex—M3平台的超温报警器，可以设计3个任务并发，分别进行数据采集、数据处理和数据显示。3个任务较小，系统安排的任务栈足够使用，栈的容量以32位无符号整型定义，容量为64字。选择硬件平台片上定时器1。
    DSl8820具有300 ms的更新速率，在采集数据过程中，通过多次采集取平均值，数据采集任务执行的时间为30 ms，数据处理任务执行时间为40 ms，数据显示任务执行时间为20 ms。根据公式，对响应时间的要求：t(响应时间)=N(进程数目)×q(时间片)。总体响应时间为90 ms，进程数目为3，因此时间片设置为30 ms合适。在任务OS_IDLE_DEMON()中添加休眠代码，空闲时系统休眠，降低功耗。
    第3步，复制＼Keil＼ARM＼Startup下Retarget．c文件到工程文件夹中，并添加到工程中。

    修改文件，使其包含如下内容：

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    该文件的目的是避免半主机方式软件中断，因为这时所有中断都由RL—RTX统一管理。半主机是用于ARM目标的一种机制，可将来自应用程序代码的输入／输出请求传送至运行调试器的主机。它由一组已定义的SWI操作来实现。库函数调用相应的SWI(软件中断)，然后调试代理程序处理SWI异常，并提供所需的与主机之间的通信。

4 应用设计
4．1 多任务应用设计
    根据图1所示的最小系统框图，采用由表及里(out—side-in approach)分解应用的方法设计多任务。该应用的上下文框图如图3所示，中间的圈表示软件应用，矩形框表示应用的输入和输出设备。箭头标有具体含义名，表示输入和输出通信的流程。

    根据上下文框图以及避免“资源冲突”原则，将对同一个外设的访问放在同一个设备中，无论何时切换任务，都不会对任何独立的“外设”造成影响。
    将应用分解为4个任务，RL—RTX的第一个任务必须是系统任务Init Task，该任务用来初始化其他3个任务，任务创建完毕后，3个任务都处于READY状态；第2个任务t_phase_ADC Task用来读取A／D采样的数据；第3个任务t_phase_DEA Task用来处理采样的数据；第4个任务t_phase_DIS Task用来将数据送到LCD液晶屏上，显示、控制LED灯闪烁和蜂鸣器高频报警。图4显示了任务触发的流程。

    定义任务：

   

    使用os_tsk_create创建任务t_phase_ADC、t_phase_DEA、t_phase_DIS。

    os_tsk_delete_self删除自身任务，实现任务切换。任务的创建和初始化是在主函数中定义的：

   

    任务初始化完毕后，3个任务都处于就绪状态。t_phase_ADC任务用来采样，多次采样取平均值，通过给任务t_phase_DEA发信号signal_func(t_phase_DEA)，唤醒t_phase_DEA任务。

   

    os_evt_wait_and进行控制。该任务判断采样的数据是否在警戒温度范围内，如果出现温度异常，置标志位为1。执行完自身任务后，通过signal_func(t_phase_DIS)，将唤醒t_phase_DIS任务。

   
    t_phase_DIS任务用来在LCD液晶屏上显示温度值。如果发现标志位为1，则LED灯闪烁和蜂鸣器高频报警。
4．2 应用设计测试
    采用基本RMA可调度性测试。式1用来完成系统的基本RMA可调度性测试。

   
这里：Ci为与周期性任务i相关的最坏执行时间，Ti为与任务i相关的周期，n为任务的个数。
    U(n)是利用系数，式1的右边是理论处理器利用率的上界。如果给定一组任务，其处理器利用率小于理论利用率上界，则这组任务是可调度的。U的值随n的增加而下降；当n的值为无限时，最终收敛于69％。
    表4总结了使用RMA进行调度的3个任务的特性。

使用式1，该应用设计处理器利用率计算如下：

应用设计总的利用率是27．42％，低于78％的理论边界。此4个任务的系统是可调度的，该应用设计是成功的。

结 语
    本文描述了如何在Cortex—M3上使用MDK RL—RTX的方法，并给出了一个简单的多任务应用设计。可以看出多任务的程序设计被大大简化了，它不但满足多个任务的时间要求，降低了开发难度，而且程序的可读性和可维护性也有了很大的提高。利用MDK RL—RTX构建的嵌入式工业控制系统具有成本低、性能高等特点，应用广泛，有着良好的发展前景。