【STM32F407】第3章 RTX5操作系统介绍

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第3章 RTX5操作系统介绍

本章节介绍一下RTX5操作系统，让大家对RTX5有一个整体的了解，RTX5是开源免费的确定性实时操作系统，适用于 ARM 和 Cortex-M 设备。

3.1 RTX5系统特性

3.2 RTX5系统规格

3.3 RTX5系统性能

3.4 RTX5系统内存要求

3.5 RTX5系统优势

3.6 使用RTX5 VS 裸机方式的优势

3.8 总结

3.1 初学者重要提示

1. 现在RTX4和RTX5属于CMSIS软件包的一部分，Apache2.0授权，几乎随意商用。Github开源地址：https://github.com/ARM-software/CMSIS_5
2. RTX4/RTX5不仅提供了MDK的移植文件，也提供了IAR和GCC移植文件。

3.2 RTX5系统特色

• 开源免费的确定性RTOS。
• 支持时间片，抢占式和合作式调度。
• 以低的中断延迟执行高速实时操作（对于M3/M4/M7内核可以实现零中断延迟）。
• 小的空间占用适用于资源受限的系统。
• 不限制数量的信号量，互斥信号量，消息邮箱和软定时器。
• 支持多线程和线程安全操作。
• 通过MDK的RTE开发环境可以一键添加。
• 使用MDK基于对话框的配置向导，可以很方便的完成MDK的配置。
  • 零中断延迟

这里的零中断延迟是指ISR的中断相应时间和没有使用RTX5系统是一样的，也就是说用于Cortex-M3/M4/M7的RTX5内核库中没有关闭中断的操作,这点应该算是RTX5一个很大的优势，像Ucos-II,Ucos-III和FreeRTOS内核的很多地方关中断操作，关中断操作对实时性有哪些危害呢？比如此时某个任务正在调用系统API函数，而且此时中断正好关闭了，也就是进入到了临界区中，这个时候如果有一个紧急的中断事件被触发，这个中断就不能得到及时执行，必须等到中断开启才可以得到执行，如果关中断时间超过了紧急中断能够容忍的限度，危害是可想而知的。

• • 确定性

确定性是指在在定义的时间内处理事件和中断，RTX5 提供完全确定性的行为，这意味着在预定义时间内（期限）处理事件和中断，这个主要得益于RTX5的零中断延迟特性。（注：另外根据CMSIS RTOS RTX的说明，RTX系统的任务切换时间也是确定的）

• • 线程安全.

线程安全涉及到的问题较多，详情请看: http://www.keil.com/rl-arm/rl_threadsafe.asp

3.3 RTX5安全认证

TX5的汽车级，工业级，医疗和铁路安全认证已经通过：

• ISO 26262 (ASIL D) 汽车级最高安全认证
• IEC 61508 (SIL 3) 工业级认证
• IEC 62304 (Class C) 医疗认证
• EN 50128 (SIL 4) 运输/铁路安全认证

支持的内核：

• Cortex-M0/M0+
• Cortex-M3
• Cortex-M4
• Cortex-M7

除了RTX5，他们家的Event Recorder，CMSIS-Core，还有C Library也通过了安全认证。认证后的这些组件起了个新名字叫Functional Safety Run-Time System (Arm FuSa RTS)，另外注意，这个安全认证是基于MDK的AC6测试通过的。

对应的安全认证证书

3.4 RTX5系统性能（实时性）

反映RTOS实时性的两个重要指标：一个是中断延迟时间，另一个是任务切换时间，其中中断延迟时间方面，使用CM内核的话，RTX系统可以实现零中断延时，也就是跟裸机情况是一样的。

3.5 RTX5系统内存要求

RTX5的典型需求是5KB的ROM空间和500字节的RAM。

3.6 RTX5系统优势

RTX5 实时操作系统提供许多高级功能，其他供应商的RTOS产品中并不总是提供这些功能。在选择RTOS时，应考虑以下几点：

• RTX5开源免费

在RTX4和RTX5属于CMSIS软件包的一部分，Apache2.0授权，几乎随意商用。

• 市场领先的 RTOS - RTX 一直是嵌入式应用程序中领先的RTOS之一（2013 – 2019年嵌入式市场调查报告）。您可以信心十足地在应用程序中使用 RTX。
• 灵活的调度 - RTX 提供三种不同的调度方式，您可以使用最适合您的调度方式：

抢占式- 每个任务都具有不同的优先级，只有在更高优先级的任务准备好运行后才会运行。此选项方式于交互式系统，在用户输入某些内容之前，设备可能处于待机或后台模式。

时间片 - 每个任务都将运行固定的CPU运行时间段。数据记录器/系统显示器通常使用时间片调度，所有传感器或数据源都会依次进行采样，不分优先级。

合作式 - 每个任务将一直运行，直到指示其将控制权传递给另一个任务或遇到阻塞式API函数。可以在要求固定执行顺序的应用程序中使用这种调度方式。

• 确定性的行为 - 并非每个 RTOS 都具有确定性。RTX 提供完全确定性的行为，这意味着在预定义时间内（期限）处理事件和中断。您的应用程序可以依赖于一致且已知的进程计时。
• 专为嵌入式系统而设计 – RTX5 是专门为基于 ARM 和 Cortex-M MCU 的嵌入式系统而编写的。它并不是根据较大的操作系统或其他架构改写的。它运行速度快，占用的 MCU 资源极少，Flash占用量为 5KB (ROM)。
• 易于使用 - 学习周期短，产品开发速度快。µVision IDE/调试器完全支持 RTX5，其中采用 RTX 任务识别工具以便于在您的应用程序中快速方便地配置和调试 RTX5。
• 支持 - 提供了广泛的资源，包括示例、用户指南以及快速入门指南。Keil 完全支持 RTX。不仅MDK，当前RTX5对GCC和IAR也进行了支持。

3.7 使用RTX5 VS 裸机方式的优势

简单的嵌入式系统通常使用超级循环概念，其中应用程序按固定顺序执行每个函数。中断服务例程 (ISR) 用于时间关键程序部分。这种方法非常适合小系统，但对较为复杂的应用程序会有限制。

3.7.1 超级循环的缺点

• 必须在中断(ISR)内处理时间关键运算：
  • ISR 函数变得非常复杂，并且需要很长执行时间。
  • ISR 嵌套可能产生不可预测的执行时间和堆栈需求。
• 超级循环和ISR之间的数据交换是通过全局共享变量进行的：
  • 应用程序的程序员必须确保数据一致性。
• 超级循环可以与系统计时器轻松同步，但：
  • 如果系统需要多种不同的周期时间，则会很难实现。
  • 超过超级循环周期的耗时函数需要做拆分。
  • 增加软件开销，应用程序难以理解。
• 超级循环使得应用程序变得非常复杂，因此难以扩展：
  • 一个简单的更改就可能产生不可预测的副作用，对这种副作用进行分析非常耗时。
  • 超级循环 概念的这些缺点可以通过使用实时操作系统 (RTOS) 来解决。

3.7.2 RTOS的优势

RTOS将程序函数分成独立的任务，并为其提供合理的调度方式。RTX提供以下重要优势：

• 任务调度 - 任务在需要时进行调用，从而确保了更好的程序执行和事件响应。
• 多任务 - 任务调度会产生同时执行多个任务的效果。
• 确定性的行为 - 在定义的时间内处理事件和中断。
• 更短的 ISR - 实现更加确定的中断行为。
• 任务间通信 - 管理多个任务之间的数据、内存和硬件资源共享。
• 定义的堆栈使用 - 每个任务分配一个堆栈空间，从而实现可预测的内存使用。
• 系统管理 - 可以专注于应用程序开发而不是资源管理。

3.8 总结

本章节就为大家讲解这么多，主要目的是想让大家对RTX5操作系统有一个整体的认识，从下一章我们就开始正式的进入RTX5操作系统的学习。