徐自遠(yuǎn)

【摘要】本文介紹了MDK軟件自帶的基于時間輪轉(zhuǎn)的RTX操作系統(tǒng)在STM32F103RB芯片上的移植方法，并詳細(xì)描述了具體的移植過程和使用方法。并用一個LED輪換閃爍的實例演示了其具體應(yīng)用方法并對其操作系統(tǒng)函數(shù)庫做了簡單介紹。最后通過與其他同類操作系統(tǒng)的橫向比較，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍。

【關(guān)鍵詞】RT？鄄RTX STM32 嵌入式操作系統(tǒng) MDK Cotex？鄄M3 ARM

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）12-0248-02

RL？鄄RTX操作系統(tǒng)是MDK官方內(nèi)置的一個實時操作系統(tǒng)。其內(nèi)核是一個基于時間片輪轉(zhuǎn)的實時操作系統(tǒng)，可以同時運(yùn)行多函數(shù)或是任務(wù)。在嵌入式系統(tǒng)中嵌入實時操作系統(tǒng)是現(xiàn)在硬件開發(fā)的趨勢，對比前后臺循環(huán)方案與狀態(tài)機(jī)方案其優(yōu)點(diǎn)在于既增加了程序的可讀性，同時又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

1.RL-RTX操作系統(tǒng)介紹

RL？鄄RTX操作系統(tǒng)可以自由地調(diào)度系統(tǒng)資源，比如CPU和內(nèi)存，并且提供一種任務(wù)間通信機(jī)制。 RTX內(nèi)核是一個強(qiáng)大的實時操作系統(tǒng)，可以很容易地使用和運(yùn)行基于 ARM7？鄄TDMI、ARM9 或是 Cortex？鄄M3 CPU 內(nèi)核的微控制器。

RTX程序使用標(biāo)準(zhǔn)的C結(jié)構(gòu)編寫，運(yùn)用RealViewR 編譯器進(jìn)行編譯。在RTX.H頭文件定義了RTX函數(shù)以及宏，可以讓輕松地聲明任務(wù)并達(dá)到實時操作系統(tǒng)所有特性。

RL？鄄RTX操作系統(tǒng)內(nèi)核大致可分為任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度器、阻塞管理，任務(wù)間通訊管理，定時器管理，設(shè)備底層驅(qū)動6個部分。

2.STM32F103RBT6芯片介紹

STM32系列處理器是為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex？鄄M3內(nèi)核芯片。本文應(yīng)用的STM32F103RBT6芯片為64腳LQFP64封裝。其工作頻率可高達(dá)72MHZ，具有128KB flash， 20KB SRAM 1個CAN總線，1個USB2.0接口，2個SPI，2個I2C接口，資源較為豐富。

3.RL？鄄RTX操作系統(tǒng)在STM32F103RBT6芯片上的移植

本次操作系統(tǒng)移植是基于RL？鄄RTX 4.05版進(jìn)行的。移植操作系統(tǒng)使用軟件編譯環(huán)境為Keil MDK 4.12版。下面對移植過程做詳細(xì)介紹。

1）安裝MDK軟件

從官網(wǎng)下載Keil MDK 4.12版并注冊安裝。

2）下載STM32固件庫工程

在ST官網(wǎng)下載STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0，使用其中工程作為工程模版。

3）建立GPIO工程

依據(jù)ST官方庫的例子，建立一個GPIO/IOToggle 工程。修改IO端口配置與實際使用電路板的IO端口相對應(yīng)。編譯并運(yùn)行成功。

4）移植RTX_Kernel

RTX_Kernel操作系統(tǒng)移植步驟如下：

3.1在main.c最前頭文件引用列中加入“#include”，調(diào)用rl.h頭文件。此頭文件包含RTX操作系統(tǒng)中運(yùn)行代碼。

3.2項目選項里，在Target下，Operating system選擇 RTX Kernel。

3.3復(fù)制C：＼Keil＼ARM＼Boards＼ST＼STM32F10X_EVAL＼

RTX_Blinky＼RTX_Config.c文件到項目目錄下，并將RTX_Config.c添加到項目中。（MDK安裝在默認(rèn)目錄C盤）

3.4在RTX_Config.c根據(jù)硬件條件配置操作系統(tǒng)參數(shù)

操作系統(tǒng)參數(shù)有很多，在C文件中尋找修改較為復(fù)雜，MDK4.12中可以通過向?qū)砼渲貌僮飨到y(tǒng)的各個參數(shù)，其步驟為：①打開RTX_Config.c文件，文件編輯框下方有一個Configuration Wizard選項，點(diǎn)擊它可以看到任務(wù)參數(shù)選項。如圖1所示。

圖 1 任務(wù)參數(shù)配置向?qū)?/p>

①Number of concurrent running tasks 設(shè)置運(yùn)行任務(wù)數(shù)

此選項范圍為0～250個任務(wù)，默認(rèn)為6個運(yùn)行任務(wù)。該數(shù)值定義了可同時運(yùn)行的最大任務(wù)數(shù)量，若設(shè)置任務(wù)超過此數(shù)量，則最后一個創(chuàng)建的任務(wù)不會運(yùn)行。

②Number of tasks with user？鄄provided stack 用戶定義堆棧的任務(wù)數(shù)量

此選項范圍為0～250個任務(wù)，默認(rèn)為0。此選項可定義一些需要開啟更大堆棧區(qū)域的任務(wù)。

③Task stack size 任務(wù)堆棧區(qū)域大小設(shè)置

范圍為200～4096字節(jié)，默認(rèn)堆棧大小為200字節(jié)。此選項為每個任務(wù)分配獨(dú)立的堆棧區(qū)域空間，RTX_Kernel為私有堆棧任務(wù)系統(tǒng)，每個任務(wù)有自己私有堆棧區(qū)域，并非像RTX51一樣為公有堆棧任務(wù)系統(tǒng)。若在系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)堆棧區(qū)域溢出的情況則需要增大此參數(shù)。

④Check for the stack overflow 檢查堆棧溢出

注：開啟堆棧溢出檢查的話，會使系統(tǒng)性能降低，建議調(diào)試時開啟，程序調(diào)試完畢后關(guān)閉此選項。

⑤Run in privileged mode運(yùn)行在特權(quán)模式

⑥Timer clock value設(shè)置當(dāng)前MCU運(yùn)行頻率

范圍為1？鄄1000000000HZ，默認(rèn)為6MHz，由于在本系統(tǒng)中使用時鐘頻率為48MHz，所以設(shè)置其為48000000。

⑦Timer tick value為RTX時間片時間

范圍為1？鄄1000000us，默認(rèn)為10000us，即10ms一個時間片，可以修改此參數(shù)來改變?nèi)蝿?wù)輪轉(zhuǎn)的速度。

⑧Round？鄄Robin Task switching 任務(wù)時間片耗盡自動切換開關(guān)

默認(rèn)為開啟。開啟RTX操作系統(tǒng)在某一任務(wù)時間片耗盡后會自動保存本任務(wù)堆棧并切換到其他任務(wù)中去。可點(diǎn)開此選項前的“+”號，在彈出的Round？鄄Robin Timeout 為任務(wù)設(shè)置自動切換時間，默認(rèn)為5個時間片即50ms。

⑨Number of user timers 用戶定時器使用數(shù)

范圍為0～250個，定義可使用的系統(tǒng)定時器數(shù)量。

3.5由于RTX操作系統(tǒng)用到了本芯片中的一些中斷向量，所以要移植RTX操作系統(tǒng)必須在中斷程序stm32f10x_it.c中屏蔽以下三個中斷函數(shù)。其分別是：PendSV_Handler（void），SysTick_Handler（void），SVC_Handler（void）。

至此，RTX系統(tǒng)移植完畢，接下去就能編寫操作系統(tǒng)代碼了。

4.操作系統(tǒng)應(yīng)用實例

圖 2 系統(tǒng)運(yùn)行流程與操作系統(tǒng)運(yùn)行流程對比

操作系統(tǒng)的使用能提高程序編寫的效率，特別是對一些時效管理與系統(tǒng)延時處理方面。使用前后臺循環(huán)編程方式與操作系統(tǒng)運(yùn)行流程對比如圖 4所示。

本次系統(tǒng)移植目標(biāo)是讓兩個LED以不同頻率交替閃爍，要完成此目標(biāo)并讓任務(wù)正常運(yùn)行必須在main.c中添加初始化操作系統(tǒng)的代碼：

1）先在main（ ）函數(shù)中添加系統(tǒng)初始化函數(shù)os_sys_init （init_task）；。用來開啟系統(tǒng)任務(wù)并結(jié)束main函數(shù)的運(yùn)行。此時程序轉(zhuǎn)入init_task任務(wù)中。

2）建立初始化任務(wù)函數(shù)init_task（void）。在程序中編寫初始化函數(shù)init_task（ ），區(qū)別于普通的子程序，任務(wù)前需要添加前綴”__task”。在初始化任務(wù)中使用os_tsk_create（ ）命令創(chuàng)建task1與task2兩個任務(wù)，并定義兩個OS_TID型任務(wù)變量id1，id2記錄開啟任務(wù)的返回值。最后使用os_tsk_delete_self （ ）；命令刪除init_task任務(wù)本身。此時task1，與task2任務(wù)被開啟。操作系統(tǒng)會根據(jù)任務(wù)輪詢機(jī)制依次進(jìn)入task1任務(wù)和task2任務(wù)。

3）建立兩個任務(wù)函數(shù)task1，與task2。

編譯上述代碼，將其下載到目標(biāo)板中，如果LED1與LED2兩個發(fā)光二極管能以不同的頻率閃爍發(fā)光說明移植成功了。

RTX 操作系統(tǒng)的API比較簡單，它是基于時間片來進(jìn)行任務(wù)間輪轉(zhuǎn)調(diào)度的，即相同任務(wù)優(yōu)先級每個任務(wù)分得一定的時間片運(yùn)行時間，運(yùn)行完時間片后保存現(xiàn)場進(jìn)行任務(wù)切換。而其他實時操作系統(tǒng)中uC/OS？鄄II是不支持時間片輪轉(zhuǎn)的，從uC/OS-III開始才支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

5.RTX操作系統(tǒng)函數(shù)庫簡介

圖 4 RTX 任務(wù)系統(tǒng)組成圖

RTX任務(wù)系統(tǒng)組成圖如圖 4所示。為了深入了解RTX操作系統(tǒng)，對下面對每個模塊及其系統(tǒng)函數(shù)做簡單介紹。

（1）任務(wù)創(chuàng)建與調(diào)度：

創(chuàng)建任務(wù)：os_tsk_create （ ）；創(chuàng)建指定任務(wù)。

刪除任務(wù)：os_tsk_delete_self （ ）；刪除任務(wù)本身。

延時： os_dly_wait（ ），延時指定數(shù)目的系統(tǒng)節(jié)拍事件。

任務(wù)切換：os_tsk_pass（ ），跳出當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)。

（2）事件管理：os_evt_wait_and（ ）， os_evt_wait_or（ ）， os_evt_set（），isr_evt_set（ ）

讓一個進(jìn)程等待一個事件，這個事件可以由其它進(jìn)程和中斷觸發(fā)。

（3）郵箱管理：os_mbx_declare（ ）， os_mbx_init（ ），os_mbx_wait（ ），os_mbx_send（ ）， isr_mbx_send（ ），建立一個郵箱，里面可以存放一定數(shù)目的消息（比如20條）。進(jìn)程可以等待郵箱隊列，如果郵箱里有消息，則取出，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；如果郵箱為空，則繼續(xù)等待。

（3）互斥管理：os_mut_init （ ），os_mut_wait（ ） //上鎖，os_mut_release（ ）//解鎖

設(shè)置進(jìn)程獨(dú)占資源，加鎖，別的進(jìn)程需要等待本進(jìn)程，本進(jìn)程不會被時間輪轉(zhuǎn)切換。

（4）信號量管理：os_sem_init（ ）， os_sem_send（ ）， os_sem_wait（ ）， isr_sem_send（ ）

信號量與事件類似，進(jìn)程等待的信號量大于0時，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行，信號量-1。發(fā)送信號量時，信號量+1.

6.RTX操作系統(tǒng)與其他幾種操作系統(tǒng)需求對比

FLASH和RAM的需求對比

RTX是一款優(yōu)秀的基于時間輪轉(zhuǎn)片的微內(nèi)核操作系統(tǒng)，適合FLASH和ROM資源不是很足的芯片，特別適合是對成本有要求，無擴(kuò)展ROM和RAM芯片的單片系統(tǒng)中使用。

RTX的使用要比uC/OS容易，如果在Cortex？鄄M3芯片中使用實時操作系統(tǒng)的話，其優(yōu)勢較為明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]《STM32自學(xué)筆記》蒙博宇編著， 北京市：北京航空航天大學(xué)出版社， 2012.

[2]《STM32嵌入式微控制器快速上手》陳志旺等編著， 北京市：電子工業(yè)出版社， 2012.