MCUs被要求在嵌入式系统中控制越来越多的功能。这些功能通常在本质上是实时的，并且需要周期性地服务以满足系统对响应性、性能或可靠性的要求。通常，实时操作系统(RTOS)用于管理多个实时事件，以确保响应能力足以满足系统需求。然而，并不是所有的MCUs都适合于托管RTOS，因此，对一些关键功能进行审查，这些功能允许或便于在特定的MCU上托管RTOS，这对实时嵌入式系统的设计者是有用的。

　　本文将快速回顾在现代MCUs中提供的一些关键特性，这些特性在运行需要RTOS的嵌入式系统时有所帮助。这将帮助设计人员更有效地选择MCU作为RTOS主机，并使用该MCU设计嵌入式系统。

　　管理实时响应

　　随着控制系统变得越来越复杂，用简单的控制程序来管理各种单片机的功能越来越困难。对于具有不同优先级的多个事件，单个控制循环会不断检查以查看什么事件需要服务变得难以处理。控制循环不能快速到达每个函数。所需要的是一种实时控制方法，所有事件都可以在其所需的响应时间内进行服务。

　　通常，MCU可以通过对事件的响应来实现对复杂系统的更好控制，这要么是由计时器触发的内部MCU请求，要么是由I/O信号触发的外部事件，使用中断。中断可以被优先处理，以便首先处理最重要的请求，并且使用现代的MCU中断系统，响应时间可以非常快。不幸的是，要证明所有的事件都要用所需的周期性来处理，这是很困难的。例如，如果我们需要进行一系列模拟到数字的转换，同时在USB端口上接收数据，并在获得的模拟数据上计算低通滤波器，计算出转换的最大采样率可能是非常困难的。

　　提高实时响应的另一个选择是使用实时操作系统或RTOS。在这种方法中，控制系统中的每一个任务都可以分配一个时间片或MCU处理周期的一部分。如果该函数不需要当前分配的时间，则可以将时间“转换”到另一个函数，以便不丢失宝贵的处理周期。如果没有任何功能需要服务一个空闲进程，通常在低功率模式下，可以启动以节省电力。分配的时间片可以调整，以确保最少的时间可以满足所需的响应时间。通过对模数转换器、USB接口和过滤处理功能的正确分配，系统将以可预测和有效的方式运行。

　　现代的MCUs已经被优化，使得实现RTOS的实现变得很容易。最明显的可能是包含一个专用计时器，通常是与确定处理分配有关的“计时器”，这使得分配时间片到函数变得很容易。与其他MCU活动并行执行任务的智能外围设备也很有帮助，因为关联的进程只需要“触发”事件，然后可以将控制返回到另一个进程。例如，一个USB传输可以通过简单地编程DMA控制器，将SRAM数据移动到USB端口来启动。在缓冲区被清空或出现错误之前，任务不需要进行任何其他活动。

　　让我们更深入地了解一些最重要的支持RTOS的硬件元素，以便更好地理解如何优化基于mcu的RTOS实现。

　　使用先进的中断控制器

　　由于基于rto的系统需要快速高效地响应实时事件，所以高级中断系统可能是基于mcu的设计中最重要的硬件元素。例如，如果中断需要太多的周期来响应，可能是因为在调用中断例程之前需要保存多个CPU寄存器，因此实时响应可能会受到影响。另外，如果中断控制器只有少量的可能的向量位置，软件可能需要几个周期来找出中断的源。例如，中断信号传输完全应该与传输错误区分开来。

　　Microchip PIC24F单片机有一个高级的中断控制器，在实现基于MCU的RTOS时需要几个特性。PIC24F和dsPIC MCU家族的框图如图1所示。在图中间的灰色显示的中断控制器连接所有的外围设备、计时器和几个输入信号，以提供全面的中断支持。多达118个不同的中断源可以从外部来源获得多达5个中断源。有5个周期的固定中断延迟响应时间对于任何应用程序来说都足够快。

　　Microchip PIC24和dsPIC DSC家族图谱。

　　图1:Microchip PIC24和dsPIC DSC家族框图。(芯片)

　　PIC24和dsPIC DSC单片机中断控制器也支持7级的优先级，使得区分最重要的事件和最不重要的事件变得容易。当对某些事件立即做出响应，以及某些事件可以等待服务时，这可能特别有用。例如，获取数据通常比处理数据重要得多，因此获取事件通常比处理事件优先级高得多。

　　内存占用和低功耗

　　当从纯中断或控制回路设计切换到基于rto的实现时，工程师们最常见的两个问题是内存占用和低功耗。由于每个RTOS进程都需要SRAM中的一个特殊的控制块来存储过程的各种声明信息，所以工程师们常常担心它们会耗尽SRAM，并对应用程序“缺乏内存”。幸运的是，随着上下文切换时间和控制块大小的优化，RTOS的内存占用不断提高。此外，MCUs还包括越来越多的SRAM在设备上，因为这个资源变得越来越便宜，同时变得越来越有价值。

　　例如，Atmel SAM4L MCU在两个blocks-HRAMC0和hramc1中提供32 Kbytes或64 Kbytes的SRAM，如图2中的系统内存分配图所示。这些SRAM块是在单个循环中访问的，这是一个确定的过程，它简化了基于rtoc的系统的延迟和性能计算。将SRAM作为两个独立的银行组织起来，也提高了基于dma的功能的性能，因为可以将内存块分配给每个银行，以优化总体访问带宽。

　　Atmel SAM4L MCU全局内存分配的图像。

　　图2:Atmel SAM4L MCU全局内存分配。(由Atmel)

　　由于每个RTOS进程只需要几百个字节，所以即使是复杂的RTOS也只需要MCU的SRAM的百分之几。一些设计人员经常忽略的一个问题是，使用RTOS通信时，缓冲区通常可以显著减少，因为响应时间更小，更可预测。对于某些函数，SRAM中的节省将超过上下文切换存储需求的大小。

　　在大多数RTOS实现中也完全支持低功耗模式。这意味着降低内部调节电压，降低时钟速度，或禁用特定的外围设备的模式都可以被利用。Atmel SAM4L MCU有一些特殊的控制，如果需要的话，可以很容易地调整电压等级和时钟速度，以满足每个处理线程的要求。多个“空闲模式”也可用于在几个标准的低功耗设置之间进行选择，由多个线程共享。

　　简化以太网连接

　　在具有高速连接性需求的实时系统中，如以太网，以太网的硬件是重要的，但是支持“钩子”，使其易于实现的“钩子”不应该被忽略。例如，Renesas RX63N拥有一个先进的以太网控制器，它有一个专用的以太网直接存储器存取控制器，它可以直接管理控制以太网传输的描述符。这极大地简化了以太网流量的控制，因为许多低级的细节都可以在以太网子系统中进行控制。另外，在RTOS环境中实现以太网连接可以通过使用连接性开发工具包来简化，如图3所示，可以与Micrium RTOS捆绑在一起。MCU、开发委员会和Micrium uC/OS-II或uC/OS-II RTOS的这种组合提供了一个经过验证的平台，现有的示例代码可以作为实现定制设计的第一步。

　　Renesas RX63N以太网工具包的图像。

　　图3:使用Micrium RTOS支持的Renesas RX63N以太网工具包。(由凯利讯半导体)

　　Micrium RTOS还提供了各种中间件模块，进一步简化了连通性应用程序。例如，IPv6支持使得即使是最复杂的以太网子系统也很容易实现。示例设计的可用性意味着可以在记录时间内完成演示系统的工作。

　　DSP应用的高效处理

　　在某些应用程序中，可以使用RTOS来确保尽可能高效地进行处理。例如，DSP应用程序可以处理饥饿，如果多个通信通道竞争CPU周期，效率可能会受到严重影响。例如，德州仪器TMS320C66xx DSP具有重要的处理能力。图4中所示的一个处理核心有八个独立的处理器(L/S/M/ d1和2)，它们可以并行工作。当使用RTOS时，比如TI-RTOS，通信函数可以更容易地控制需要的CPU周期数。这释放了处理时间，用于“重型提升”DSP处理大量以DSP为中心的设计所需的大量数据。

　　德州仪器TMS320C66xx DSP。

　　图4:德州仪器TMS320C66xx DSP提供了重要的处理性能。

　　结论

　　通常，嵌入式系统需要对特定时间内的事件做出响应，而在这些系统中，驻留在MCU上的RTOS是一个可能的解决方案。确保您知道在MCU上托管RTOS的需求，这样您就可以做出最佳的MCU选择，并简化基于rtoc的设计的开发。