你在使用實時操作系統(tǒng)（RTOS）時是否發(fā)現(xiàn)無法將任務調(diào)度或延遲精度降到毫秒以下？你可能不得不在RTOS之外編寫大量應用代碼。雖然這種方式可行，但這會讓你懷疑應用程序是否滿足其截止期限，是否可維護和可擴展。RTOS不應該能夠管理整個應用程序的時間嗎，不管這個時間是一秒還是一微秒？

對于嵌入式系統(tǒng)領域的開發(fā)和管理人員來說，平衡時間精度和能源效率可能是一項持續(xù)的斗爭。隨著應用的發(fā)展，無論是在汽車、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療設備還是工業(yè)自動化領域，對精確定時控制的需求都在增長。雖然傳統(tǒng)的RTOS解決方案在管理實時任務方面很有效，但在這兩個關鍵領域往往存在不足。

1. 傳統(tǒng)RTOS的不足

首先，傳統(tǒng)RTOS有精度限制。基于滴答的系統(tǒng)不能提供超出滴答（Tick）間隔（如1毫秒）的時間粒度。這種限制影響了執(zhí)行超精細定時操作的能力，例如精密傳感器讀數(shù)或先進機器人的高分辨率控制。事實上，如果不仔細，你甚至可能任務時序中注入抖動，從而破壞系統(tǒng)的實時性能！

其次，基于滴答的RTOS能效低！即使沒有任務調(diào)度，周期系統(tǒng)滴答中斷也會使CPU保持活動狀態(tài)，從而導致能源浪費，這在電池供電和低功耗設備中尤為嚴重。雖然一些RTOS試圖通過引入tickless省電模式來克服這個缺陷，但這些解決方案更多的是權宜之計，而不是完整的功能。

這些限制迫使開發(fā)人員采用效率低下的解決方案，例如輪詢硬件計時器或使用特定于目標的技術來實現(xiàn)更高的分辨率和更低的功耗，這種方法使開發(fā)過程復雜化，降低了軟件的可移植性和可維護性。

本文中，我們將探索一種新的機制來精確地調(diào)度低于一毫秒的任務，這種機制可以提高應用程序的實時性能，同時提高能效，其好處來自于利用周期精度定時的新RTOS實現(xiàn)。

2. 從基于滴答的調(diào)度到基于周期的調(diào)度

傳統(tǒng)的RTOS使用周期性的系統(tǒng)滴答來跟蹤時間和調(diào)度任務。例如，大多數(shù)RTOS，如FreeRTOS、Zephyr和embOS-Base，默認使用1毫秒的滴答間隔。這個間隔依賴于每毫秒產(chǎn)生一次中斷的計時器。所有時間相關的操作（任務延遲、超時和軟件計時器）都與滴答對齊。如果我們使用SEGGER SystemView這樣的工具來記錄和分析應用程序的運行時行為，將看到類似圖1所示的內(nèi)容。

圖1：使用周期滴答來跟蹤系統(tǒng)時間的傳統(tǒng)RTOS

如圖所示，系統(tǒng)每隔一毫秒就會中斷一次應用，如果系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)并且沒有其他的工作要做，它也會被喚醒以增加計數(shù)并返回睡眠狀態(tài)！

基于滴答的設計限制了計時精度，并引入了延遲，因為不能以比滴答間隔更細的粒度調(diào)度任務，這是我在許多應用中遇到的一個問題，它迫使你思考RTOS之外的實現(xiàn)。

基于周期的調(diào)度通過用單次硬件定時器(single-shot hardware timer)代替周期滴答中斷消除了這種約束。計時器只在需要時產(chǎn)生中斷，而非每毫秒喚醒CPU，從而允許將事件調(diào)度精確到微秒或CPU周期。這種方法提高了精度，減少了CPU的活動，節(jié)約了能源。

讓我們來看一個例子。考慮一個需要持續(xù)4.7毫秒的任務延遲。在擁有1毫秒滴答間隔的RTOS中，延遲要么提前結束（4毫秒），要么延長（5毫秒），具體取決于滴答計時。使用基于周期的調(diào)度可以實現(xiàn)精確的4.7毫秒延遲，因為它不再依賴于滴答間隔。

3. embOS-Ultra：高精度和高效率的技術解決方案

如果調(diào)查當今的RTOS市場，你會發(fā)現(xiàn)SEGGER的embOS-Ultra是唯一支持基于周期調(diào)度的RTOS。因此，我們將關注embOS-Ultra如何通過引入周期分辨率定時來解決精度和效率方面的挑戰(zhàn)，以及這種創(chuàng)新方法如何改善應用。

讓我們來分析一下embOS-Ultra是如何在不增加不必要復雜性的情況下解決精度和效率問題。

通過單次計時器提高能效

通過移除周期滴答，embOS-Ultra顯著降低了CPU負載。即使沒有待處理的工作，傳統(tǒng)的RTOS也會在每個滴答喚醒CPU，這種行為增加了功耗，因為CPU必須保存其當前狀態(tài)，處理中斷，并恢復其狀態(tài)，這些不必要的CPU周期消耗了能量。

embOS-Ultra的單次計時器僅在特定事件發(fā)生時喚醒CPU，使系統(tǒng)長時間處于低功耗狀態(tài)。這一特性對于低功耗和電池供電的應用尤其有利，例如可穿戴設備或遠程物聯(lián)網(wǎng)傳感器，在這些應用中，節(jié)省的每一點能量都將延長運行時間。然而，即使是連接到恒定電源的設備也可以通過降低其整體能量配置和減少對電網(wǎng)的需求而受益。

在許多微控制器架構中，計時器可以配置為各種模式。EmbOS-Ultra利用定時器計數(shù)到零或到指定值的模式，在需要時觸發(fā)中斷。這種靈活性使開發(fā)人員能夠精確地控制時間事件，而不依賴于周期滴答。正如想象的那樣，允許計時器自由計數(shù)用于調(diào)度，比計數(shù)為零后重置更有好處。

維護系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性

你可能會認為，雖然使用單個計時器來提供高分辨率、亞毫秒級的調(diào)度聽起來很棒，但丟失系統(tǒng)滴答將破壞應用程序。好消息是它不會，embOS-Ultra使用兩個硬件計時器。一個計時器用于長期連續(xù)運行而不產(chǎn)生中斷。第二個計時器，即我們在前一節(jié)中討論的單次計時器，用于任務調(diào)度。

這意味著沒有復雜的算法在后臺運行，試圖確定自系統(tǒng)啟動以來已經(jīng)過了多少毫秒。誠實地說：我們大多數(shù)人都利用系統(tǒng)滴答來提供時間戳、計算過濾器和執(zhí)行其他日常活動。如果從RTOS中刪除它，我們的開發(fā)將變得更加困難。

添加第二個計時器似乎會增加系統(tǒng)的復雜性和能效，但事實并非如此。如今，大多數(shù)32位微控制器擁有多個計時器，而且與CPU相比，計數(shù)器使用的電流很少。使用第二計時器的權衡仍然確保我們最大限度地減少能耗，同時保持系統(tǒng)實時性能的長期穩(wěn)定性。

4. 基于周期調(diào)度的應用

了解了周期調(diào)度如何工作后，我們來研究一個示例。SEGGER的網(wǎng)站上提供了一個live comparison示例(https://www.segger.com/products/rtos/embos/editions/embos-ultra/#live-comparison)，模擬滴答調(diào)度和周期調(diào)度行為。我建議嘗試一下，獲得一些實際操作經(jīng)驗。

Live comparison示例允許你通過print語句查看每秒產(chǎn)生了多少次滴答。測試應用包含兩個任務：一個201毫秒的任務和一個50毫秒的任務。基于滴答的調(diào)度器，每秒1000個節(jié)拍。如果使用基于周期的調(diào)度來模擬相同的應用程序，則每秒只能獲得24 - 25個節(jié)拍。

遺憾的是，對于模擬程序，無法使用SystemView來記錄和分析應用程序行為，因此，我使用live comparison示例運行在開發(fā)板上來分析周期調(diào)度。結果如圖2所示：

圖2：圖1所示的相同應用程序的基于周期調(diào)度實現(xiàn)

如果查看圖2中分析窗口底部的計時差異，你將看到系統(tǒng)的滴答間隔不是固定的。只有在必要時才有一個滴答，在圖2的底部可以看到，滴答之間有49.9毫秒的間隔，然后是16.9毫秒的延遲，以此類推。這是基于周期的計時！基于周期的調(diào)度應用程序每秒只有24 - 25個滴答，具體取決于任務的截止時限。

5. 使用基于周期的調(diào)度，同時保持向后兼容性

遷移到新的RTOS帶來的風險和復雜性，可能是開發(fā)人員和管理人員非常關心的問題。embOS-Ultra通過在提供擴展功能的同時保持與現(xiàn)有API兼容來解決這個問題。

首先，對使用embOS-Base或其他滴答RTOS API的應用程序，可以在embOS-Ultra中繼續(xù)發(fā)揮預期的作用。embOS-Ultra中保留了基于毫秒的計時功能，確保已有代碼無需修改。如果使用的是embOS-Base，則API直接兼容。如果使用其它RTOS，你可能會有一天左右的時間將RTOS調(diào)用更新為embOS-Ultra。

其次，對于需要更高精度的開發(fā)人員，embOS-Ultra引入了擴展的API，例如用于微秒延遲的OS_TASK_Delay_us()或用于周期調(diào)度的OS_TASK_Delay_Cycles()。這些函數(shù)與傳統(tǒng)API調(diào)用共存，允許開發(fā)人員在不修改整個代碼庫的情況下逐步采用高級功能。

讓我們來看一個例子。假設我們想每1,000,000個周期向終端發(fā)送一次打印“Hello World!”，我可能會用下面的語法創(chuàng)建一個名為Hello的RTOS任務：

OS_TASK_Delay_Cycles以周期方式指定了任務掛起操作的最小時間間隔，因此，當調(diào)用OS_TASK_Delay_Cycles時，如果系統(tǒng)周期計數(shù)為1,000,000，則100萬周期的延遲將在系統(tǒng)周期計數(shù)為2,000,000時到期。

注意，作為開發(fā)人員，你可以控制單個周期所代表的時間間隔。它可以是單個CPU周期，也可以是更長的時間，這取決于你如何為使用的計時器配置時鐘分頻器。好消息是，SEGGER為各種微控制器提供了許多移植實現(xiàn)，所以你不必自己編寫這些；只有當默認值不能滿足需要時，才需要知道如何通過API來調(diào)整。

這種雙重計時方法意味著工程師不必在傳統(tǒng)實現(xiàn)和高精度之間做出選擇，他們可以在同一應用中同時使用這兩種方法。無論是從embOS-Base還是其他基于滴答的系統(tǒng)（如CMSIS-RTOS）遷移，開發(fā)人員都可以很方便的使用embOS-Ultra，因為必要的應用更改很小且簡單。

6. 下一步工作

基于周期的調(diào)度代表了一種技術進步，它解決了開發(fā)人員和管理人員在當今嵌入式系統(tǒng)中面臨的核心挑戰(zhàn)，在實現(xiàn)微秒精度的同時最大限度地提高能效。通過消除傳統(tǒng)的系統(tǒng)滴答，并提供靈活的、基于周期的方法，embOS-Ultra提供了一種精確、節(jié)能且與現(xiàn)有RTOS設置兼容的解決方案。

基于周期的調(diào)度為希望在沒有復雜遷移風險的情況下提高系統(tǒng)的性能和能源配置的嵌入式專業(yè)人員提供了一種實用而先進的替代方案。你可以通過下列步驟了解更多關于周期調(diào)度的信息。

首先，查看embOS-Ultra RTOS手冊(https://www.segger.com/downloads/embos/UM01076_embOS_Ultra.pdf)，它包含了許多示例，描述了高精度和周期調(diào)度如何工作。

接下來，可以下載并試用基于SEGGER的示例仿真項目(https://www.segger.com/products/rtos/embos/editions/embos-ultra/#live-comparison)，你可以使用它來測試embOS-Base和embOS-Ultra之間的差異，甚至可以在開發(fā)板上嘗試。

最后，確認了更精確的計時和節(jié)能的好處后，即可在嵌入式系統(tǒng)采用基于周期計時功能了。