【RTX操作系统教程】第4章 RTX操作系统介绍
第4章 RTX操作系统介绍
本章节介绍一下RTX操作系统，让大家对RTX有一个整体的了解，Keil RTX 是免版税的确定性实时操作系统，适用于 ARM 和 Cortex-M 设备。
4.1 RTX系统特性
4.2 RTX系统规格
4.3 RTX系统性能
4.4 RTX系统内存要求
4.5 RTX系统优势
4.6 使用RTXVS 裸机方式的优势
4.7 RTX和其它5款RTOS的实时性PK
4.8 总结
4.1 RTX系统特色
图4.1RTX内核
u 带有源码的免版税，确定性RTOS。
u 支持时间片，抢占式和合作式调度。
u 以低的中断延迟执行高速实时操作（对于M3/M4内核可以实现零中断延迟）。
u 小的空间占用适用于资源受限的系统。
u 不限制数量的任务，每个任务都具有254的优先级。
u 不限制数量的信号量，互斥信号量，消息邮箱和软定时器。
u 支持多线程和线程安全操作。
u 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。
l 免版税
RTX的免版税是建立在购买了正版MDK-ProfessionalEdition基础之上，详情请看：http://www.keil.com/rl-arm/rl_license.asp
l 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RTX系统是一样的，也就是说用于Cortex-M3/M4的RTX内核库中没有关闭中断的操作,这点应该算是RTX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。
l 确定性
确定性是指在在定义的时间内处理事件和中断，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，这个主要得益于RTX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）
l 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
4.2 RTX系统规格
1. 不限意味着RTX内核对数量没有限制，但是，可用的系统内存资源限制可以创建的项目数量。
2. 用于Cortex-M3/M4内核的RTX库不禁用中断，中断延迟与无RTX内核时相同，Cortex-M1/M0的中断延迟小于20个时钟周期。
4.3 RTX系统性能
1. 用于Cortex-M3/M4内核的RTX库不禁用中断，中断延迟与无RTX内核时相同，Cortex-M1/M0的中断延迟小于20个时钟周期。
4.4 RTX系统内存要求
1. 本测试的RTX内核是针对 10 个任务、10 个用户计时器并禁用堆栈检查。
2. RAM要求取决于同时运行的任务数量。
3. 代码和RAM大小使用 MicoLib 运行库进行计算。
4.5 RTX系统优势
Keil RTX 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：
u RTX 包含在 MDK-ARM 中 - 全功能、商业级RTX（包括源代码）作为 Keil MDK-ARM 开发工具的一部分提供。这不是评估版。它可完全配置，没有任何限制。因此，如果您计划使用 MDK 进行开发，RTX 是免费的。
u RTX 免版税 - RTX 是免版税提供的。获得了使用许可后，您可以装备使用RTX创建的产品，而无需支付其他费用或产生后续成本。
u 市场领先的 RTOS -RTX 一直是嵌入式应用程序中领先的RTOS之一（2013,2014,2015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。
u 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。
u 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。
u 专为嵌入式系统而设计 - RTX 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，内存占用量仅为 5KB (ROM)。
u 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 RTX，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 RTX。
u 源代码 - 在所有MDK-ARM 版本中都包含 RTX 源代码。这对于需要源代码进行产品认证的情况会很有用。
u 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。
4.6 使用RTX 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。
4.6.1 超级循环的缺点
u 必须在中断(ISR)内处理时间关键运算：
l ISR 函数变得非常复杂，并且需要很长执行时间。
l ISR 嵌套可能产生不可预测的执行时间和堆栈需求。
u 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：
l 应用程序的程序员必须确保数据一致性。
u 超级循环可以与系统计时器轻松同步，但：
l 如果系统需要多种不同的周期时间，则会很难实现。
l 超过超级循环周期的耗时函数需要做拆分。
l 增加软件开销，应用程序难以理解。
u 超级循环使得应用程序变得非常复杂，因此难以扩展：
l 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。
l 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。
4.6.2 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：
u 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。
u 多任务 - 任务调度会产生同时执行多个任务的效果。
u 确定性的行为 - 在定义的时间内处理事件和中断。
u 更短的 ISR - 实现更加确定的中断行为。
u 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。
u 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。
u 系统管理 - 可以专注于应用程序开发而不是资源管理。
图4.2RTX中任务通信
图4.2中任务1和任务2是应用程序中的函数，RTX提供了内存池，消息邮箱和任务之间的通讯机制
图4.3 RTX为直接访问RTOS所有资源提供了一种简单语法
4.7 RTX和其它5款RTOS的实时性PK
RTOS实时性的两个重要指标，一个是中断延迟时间，另一个就是任务切换时间，因为使用CM3或者CM4内核，RTX系统可以实现零中断延时，也就是跟裸机情况是一样的。其它4款RTOS都无法实现达到这个性能指标。中断延时时间方面，RTX完胜。
下面就是任务切换时间的比较：
测试条件 ：STM32F103VET6，Cortex-M3内核，72MHz，
软件用的MDK4.54, 1级优化。
测试10000次，2ms测试一次，然后求平均。
从上面的测试可以看出，RTX的优势很明显，其实除了任务切换时间外，信号量，事件标志，消息邮箱的实时性都比其它4款RTOS的强劲。
4.8 总结
本章节就为大家讲解这么多，主要目的是想让大家对RTX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RTX操作系统的学习。
