要求MCU 控制嵌入式系統中越來越多的功能。這些功能通常是實時的，需要定期維護，以滿足系統對響應性，性能或可靠性的要求。通常，實時操作系統（RTOS）用于管理多個實時事件，以確保響應能力足以滿足系統要求。然而，并非所有 MCU 都適合托管 RTOS，因此，對允許或便于在特定 MCU 上托管 RTOS 的一些關鍵功能的審查對實時嵌入式系統的設計人員非常有用。

本文將快速回顧現代 MCU 上可用的一些關鍵功能，這些功能有助于運行需要 RTOS 的嵌入式系統。這將有助于設計人員更有效地選擇 MCU 作為 RTOS 主機，并使用該 MCU 設計嵌入式系統。

管理實時響應

隨著控制系統變得越來越復雜，使用簡單的控制程序管理各種 MCU 功能變得越來越困難。對于具有不同優先級的多個事件，持續檢查以查看哪些事件需要服務的單個控制循環變得難以處理。控制回路無法足夠快地到達每個功能。所需要的是一種實時控制方法，其中所有事件都可以在其所需的響應時間內得到服務。

改善實時響應的另一個選擇是使用實時操作系統或 RTOS。在該方法中，可以為控制系統中的每個任務分配 MCU 處理周期的時間片或部分。如果該功能不需要當前分配的時間，它可以將時間“翻轉”到另一個功能，這樣就不會丟失寶貴的處理周期。如果沒有功能需要維修空閑過程（通常在低功率模式下），則可以啟動以節省電力。可以調整分配的時間片以確保可用的最小時間量滿足所需的響應時間。通過正確分配模數轉換器，USB 端口和濾波器處理功能，系統將以可預測和有效的方式運行。

現代 MCU 已經過優化，可以輕松實現 RTOS 實施。也許最明顯的是包含專用定時器，通常是與確定處理分配相關聯的“定時器滴答”，這使得向時間片分配時間變得容易。可以與其他 MCU 活動并行執行任務的智能外圍設備也很有用，因為相關的過程只需要“觸發”事件，然后可以將控制權返回給另一個過程。例如，可以通過簡單地編程 DMA 控制器以將 SRAM 數據移動到 USB 端口來啟動 USB 傳輸。在清空緩沖區或發生錯誤之前，任務不需要執行任何其他活動。

讓我們仔細看看一些最重要的支持 RTOS 的硬件元素，以便更好地理解我們如何優化基于 MCU 的 RTOS 實現。

使用高級中斷控制器

由于基于 RTOS 的系統需要快速有效地響應實時事件，因此高級中斷系統可能是基于 MCU 的設計中最重要的硬件元素。例如，如果中斷需要太多周期來響應，可能是因為在調用中斷例程之前需要保存幾個 CPU 寄存器，實時響應可能會受到影響。此外，如果中斷控制器只有少量可能的向量位置，軟件可能需要幾個周期才能找出中斷源。例如，中斷信號傳輸完成應該很容易與傳輸錯誤區分開來。

Microchip PIC24F MCU 具有一個高級中斷控制器，具有實現基于 MCU 的 RTOS 所需的一些功能。 PIC24F 和 dsPIC MCU 系列的框圖如圖 1 所示。中斷控制器在圖中間以灰色顯示，連接所有外設，定時器和多個輸入信號，以提供全面的中斷支持。多達 118 種不同的中斷源，最多 5 種來自外部源。對于五個周期的固定中斷延遲，中斷響應時間對于任何應用都足夠快。

圖 1：Microchip PIC24 和 dsPIC DSC 系列模塊圖。

PIC24 和 dsPIC DSC MCU 中斷控制器還支持七個優先級，可以輕松區分最重要的事件和最不重要的事件。當對某些事件立即響應以及某些事件可以等待服務至關重要時，這尤其有用。例如，采集數據通常比處理數據更重要，因此采集事件的優先級通常高于處理事件。

內存占用和低功耗

當從純粹的中斷或控制環路設計切換到基于 RTOS 的實現時，工程師最常遇到的兩個問題是內存占用和低功耗。由于每個 RTOS 過程都需要 SRAM 中的特殊控制塊來存儲過程中的各種聲明信息，因此工程師經常擔心它們將耗盡 SRAM 并因其應用而“缺乏”內存。幸運的是，隨著上下文切換時間和控制塊大小的優化，RTOS 內存占用量不斷提高。此外，MCU 在設備上包含越來越多的 SRAM，因為這種資源變得越來越便宜，同時變得越來越有價值。

例如，Atmel SAM4L MCU 在兩個塊中提供 32 KB 或 64 KB 的 SRAM-HRAMC0 和 HRAMC1- 如圖 2 中的系統內存分配圖所示。這些 SRAM 塊是在單個周期中訪問，這是一個確定性過程，可簡化基于 RTOS 的系統中的關鍵延遲和性能計算。將 SRAM 組織為兩個獨立的存儲區也可以提高基于 DMA 的功能的性能，因為可以將存儲器塊分配給每個存儲區以優化整體訪問帶寬。

圖 2：Atmel SAM4L MCU 全局內存分配。

每個 RTOS 進程只需要幾百個字節，即使是復雜的 RTOS，完整的上下文也只需占 MCU 的幾個百分點。一些設計人員經常忽略的一點是，通過 RTOS 通信，緩沖區通常可以大大減少，因為響應時間更短，更可預測。對于某些功能，SRAM 節省的成本將超過上下文切換存儲要求的大小。

大多數 RTOS 實現也完全支持低功耗模式。這意味著可以使用降低內部調節電壓，降低時鐘速度或禁用特定外設時鐘的模式。 Atmel SAM4L MCU 具有一些專用控制器，可根據需要輕松調整電壓電平和時鐘速度，以滿足每個處理線程的要求。多個“空閑模式”也可用于在多個線程共享的幾個標準低功耗設置之間進行選擇。

簡化以太網連接

在具有高電平的實時系統中速度連接要求，例如以太網，以太網很重要的硬件，但不應忽視使其易于實施的支持“掛鉤”。例如，瑞薩 RX63N 具有先進的以太網控制器和專用的以太網 DMA 控制器，可直接管理控制以太網傳輸的描述符。這大大簡化了以太網流量的控制，因為可以在以太網子系統中控制許多低級細節。此外，通過使用連接開發套件可以簡化 RTOS 環境中以太網連接的實現，如圖 3 所示，該套件可與 Micrium RTOS 捆綁在一起。 MCU，開發板和 Micrium uC/OS-II 或 uC/OS-II RTOS 的這種組合提供了一個經過驗證的平臺，現有的示例代碼可用作實現定制設計的第一步。

Micrium RTOS 還提供各種中間件模塊，進一步簡化了連接應用。例如，IPv6 支持使得即使是最復雜的以太網子系統也能輕松實現。示例設計的可用性意味著可以在創紀錄的時間內完成演示系統的工作。

DSP 應用的高效處理

在某些應用中，可以使用 RTOS 確保盡可能高效地完成處理。例如，DSP 應用程序可以處理饑餓，如果多個通信通道競爭 CPU 周期，則效率會受到顯著影響。例如，德州儀器（TI）TMS320C66xx DSP 具有顯著的處理能力。圖 4 中所示的處理核心中只有一個具有八個可以并行工作的獨立處理器（L/S/M/D 1 和 2）。使用 RTOS（如 TI-RTOS）時，可以更輕松地管理通信功能，以限制所需的 CPU 周期數。這樣可以節省處理時間，因為 DSP 可以解決大多數以 DSP 為中心的設計所需的大量數據。

圖 4：德州儀器（TI）TMS320C66xx DSP 提供顯著的處理性能。

結論

通常，嵌入式系統需要在指定時間內響應事件，在這些系統中，托管在 MCU 上的 RTOS 是可能的解。確保您了解在 MCU 上托管 RTOS 的要求，以便您可以選擇最佳的 MCU，并簡化基于 RTOS 的設計的開發。
編輯：hfy