Эта статья посвящена операционной системе реального времени (ОСРВ), которая называется SYS/BIOS (ранее известна как DSP/BIOS) от компании Texas Instruments, и ее использованию на 16-разрядных микроконтроллерах MSP430 со сверхнизким энергопотреблением. В статье приводятся общие рекомендации по использованию ОСРВ, а также указывается в каких случаях использование ОСРВ является расточительным или попросту непрактичным.
Вы планируете использовать менее 1 КБ SRAM и 2 КБ флеш-памяти? Ваше приложение будет выполнять лишь какую-то одну задачу, не связываясь с внешним миром, и при этом вы не планируете повышение его функциональности? Тогда, возможно, вам следует завершить на этом чтение статьи и продолжить работу над проектом. Советы в этой статье вряд ли вам пригодятся и лишь отнимут часть драгоценного времени до вывода продукта на рынок.
По каким-то причинам в мире встроенного программного обеспечения снова и снова можно наблюдать ситуацию, когда для нового проекта создание соответствующего ПО начинается с нуля. А ведь нам уже не одно десятилетие должно быть известно, что ключом к повышению эффективности является именно повторное использование. И хотя стандарты оформления кода в объектно-ориентированном программировании могут обеспечить преимущества повторного использования, посмотрим правде в глаза: много ли вы видели до сих пор кодов на C++, скажем, на платформах 16-разрядных микроконтроллеров? Большая часть кода написана на С и по-прежнему имеется целый ряд низкоуровневых ассемблеров, но лишь меньшинство по-настоящему выражается на языке C++.
И ещё один момент, на который я хочу обратить ваше внимание, прежде чем мы погрузимся в технические подробности. Вы согласны с той мыслью, что новый проект представляет хорошую возможность избавиться от этого старого, огромного, испещренного ошибками ввиду исторических причин спагетти-кода? Кода, на копирование и устранение ошибок которого исследователи и разработчики потратили за последние годы массу усилий, и при этом лишь немногие из них знают (но не могут объяснить), как вообще этот монстр способен выполнять свои функции? Вы, скорее всего правы насчет того, что новый проект – это отличная возможность начать все сначала, но задавали ли вы себе вопрос, как коду в принципе удалось так долго проработать? При изменяющихся требованиях на стадии создания ПО, необходимости в новых промежуточных элементах, без соблюдения единых указаний по оформлению кода и стандартизированных определений интерфейса, без инфраструктуры отладки и анализа для увеличения тестового покрытия. Таким образом, если ваше целевое приложение будет выполнять как минимум 3–4 различные задачи включая, возможно, работу в реальном времени, а также предполагается его связь с той или иной внешней частью в системе, вам следует всерьез рассмотреть вариант использования ОСРВ.
На рынке есть множество решений ОСРВ как в коммерческом секторе, так и от некоммерческих разработчиков бесплатного ПО с открытым исходным кодом. Увы, сказать специалисту по разработке ПО, что одна ОСРВ лучше другой или одна система хороша, а другая не очень, достаточно сложно. Тем не менее, существует ряд основных общих требований к ОСРВ, которые могут помочь разработчикам ПО определить функции и возможности той или иной ОСРВ. Наконец, необходимую оценку функций можно провести лишь с учетом фактического конечного приложения. Таким образом, повторюсь, успешность разработки ПО в большой степени зависит от того, насколько хорошо вы знаете и понимаете целевое приложение; объектно-ориентированное программирование и операционные системы реального времени не заменят грамотную разработку требований и проектирование систем.
Коммерческий аспект системы SYS/BIOS
В целом, существует два критерия выбора ОСРВ. С одной стороны это технические характеристики ОСРВ, с другой – коммерческий аспект реализации. В случае с системой SYS/BIOS коммерческий вопрос не является проблемой. Для системы SYS/BIOS не требуется дополнительных затрат, поскольку она предоставляется бесплатно и с открытым исходным кодом компанией Texas Instruments под лицензией BSD для ПО с открытым исходным кодом и таким образом не требует какой-либо платы за разрешение на использование.
Технические характеристики системы SYS/BIOS
На веб-странице в Википедии Texas Instruments приводится следующее техническое описание системы SYS/BIOS: «SYS/BIOS представляет собой масштабируемое ядро реального времени. Оно разработано для использования приложениями, в которых требуется планирование и синхронизация или инструментирование в реальном времени. Система SYS/BIOS обеспечивает вытесняющую многопоточность, аппаратную абстракцию, анализ в реальном времени и инструменты конфигурирования. Система SYS/BIOS разработана для минимизации требований к памяти и ЦП в целевом приложении» (источник)
Рис. 1 Графическое конфигурирование
В этих предложениях упомянуты все ключевые факторы: масштабируемость, переносимость, оперативные средства, работа в реальном времени и предоставление инструментов разработки и анализа. Важным аспектом является размер или объем занимаемой памяти. Благодаря оптимизированным технологиям конфигурирования система SYS/BIOS способна снизить свои требования к объему флеш-памяти на микроконтроллерах MSP430 до менее 4 КБ. В зависимости от конфигурации (равна заданным используемым элементам) в коде ядра SYS/BIOS скомпилированы лишь необходимые функции. SYS/BIOS поставляется как часть интегрированной среды разработки Code Composer Studio (CCS) версий 4 и 5. Статическое конфигурирование системы SYS/BIOS можно провести внутри среды CCS с помощью удобного графического инструмента конфигурирования. Можно выбирать, какие программные модули необходимо включить, изменять значения параметров по умолчанию для настройки работы целевого приложения, а также создавать оперативные средства ОСРВ, такие как потоки и семафоры. Для более крупных и динамичных систем все эти функции могут выполняться с помощью оперативных API на языке Си. Динамическое конфигурирование SYS/BIOS обеспечивает гибкость приложения, тогда как статическое может повысить производительность и снизить объем занимаемой памяти.
При этом системы, хорошо работающие на 32-разрядных платформах, будут также совместимы с определенным рядом 16-разрядных микроконтроллеров. Пересечение платформ достаточно велико, и обе из них могут успешно использовать ОСРВ в качестве программного основания. Новые функциональные узлы дают возможность увеличить количество элементов, повысить сложность, а также разместить больший объем памяти на кремниевом кристалле того же формата. В то же время повышаются и скоростные характеристики процессоров, и все это может быть успешно абстрагировано с помощью подходящего решения ОСРВ. Обеспечивая определенный уровень аппаратной абстракции, система SYS/BIOS дает возможность, например, писать все процедуры обработки прерываний на Си, что позволяет легко переносить код между микроконтроллерами, микропроцессорами ARM и цифровыми сигнальными процессорами от компании Texas Instruments. В плане оперативных средств в системе SYS/BIOS предусмотрен широкий выбор типов потоков для множества ситуаций применения. Выбирая соответствующие типы потоков, можно управлять приоритетами выполнения и характеристиками блокировки. Кроме того, система SYS/BIOS предлагает различные структуры для поддержки связи и синхронизации между потоками, такие как семафоры, почтовые ящики, события, логические элементы и обмен сообщениями переменной длины. Время исполнения в той или иной ОСРВ, как правило, зависит от задержки прерывания, времени переключения контекста и некоторых других показателей производительности ядра. Так, чтобы обеспечить надежное соблюдение приложениями заданных сроков в реальном времени, практически все проблемы ядра SYS/BIOS обеспечивают детерминированную работу. Последнее, но не менее важное: в интегрированную среду разработки Code Composer Studio встроен набор инструментов, который помогает пользователю находить и устранять проблемы во время работы. Средство просмотра динамических объектов (ROV) и анализ в реальном времени (RTA) являются инструментами визуализации данных на основе Eclipse, которые собирают данные встроенных средств инструментирования, записываемые системой SYS/BIOS, например для отображения графов последовательности выполнения. При этом инструментирование для отладки может быть настроено или полностью убрано из окончательной версии кода продукта для максимизации производительности и минимизации объема занимаемой памяти.
Адаптация к интеллектуальным методам программирования MSP430 со сверхнизким энергопотреблением
Типичное приложение на основе MSP430, в котором важно потребление энергии, следует по стандартной блок-схеме кода. В отчете о применении «Методы программирования MSP430» (SLAA294) Texas Instruments подробно описано, как эффективно использовать возможности экономии энергии микроконтроллеров MSP430 путем применения соответствующих методов программирования. На рисунке 2 в общем показана стандартная блок-схема кода высшего уровня для приложений на основе MSP430 со сверхнизким энергопотреблением.
Рис. 2 Блок-схема кода высшего уровня
Структура кода управляется прерываниями, поскольку это обеспечивает наибольшие возможности для выключения питания устройства. Пока не получено прерывание, устройство бездействует, максимизируя таким образом энергоэффективность. Для того чтобы понять, как реализованы показанные процедуры обработки прерываний (ISR), имеет смысл вспомнить способ работы микроконтроллера MSP430 в режимах низкого энергопотребления. Режимами питания управляют биты внутри регистра состояния (SR) ЦП. Преимуществом этого является то, что режим питания, активированный до выполнения ISR, сохраняется в стек как часть начальной обработки прерывания. Когда по завершении выполнения процедура ISR перезагружает это значение, ход выполнения программы возвращается к этому сохраненному режиму питания. Оперируя при этом сохраненным значением SR на стеке изнутри процедуры ISR, можно перенаправлять ход выполнения программы после ISR в другой режим питания. Этот механизм является неотъемлемой частью работы MSP430 с низким энергопотреблением, поскольку обеспечивает быстрое включение устройства в ответ на прерывание. Система SYS/BIOS для MSP430 дает возможность легко использовать этот стандартный метод программирования и, кроме того, предоставляет модуль питания, который может использоваться для автоматического перевода ЦП в режим холостого хода при отсутствии готовых к выполнению потоков. Когда модулю питания разрешена такая операция, он автоматически вставляет в цикл холостого хода SYS/BIOS функцию, которая активирует указанный режим низкого энергопотребления. ЦП будет оставаться в этом режиме до запуска аппаратного прерывания, которое переведет ЦП в активное состояние.
Рис. 3 Подавление тиков прерывания
Говоря об энергосбережении для MSP430, стоит упомянуть ещё об одной передовой технологии ОСРВ. Как и многие другие ОСРВ, система SYS/BIOS предоставляет различные службы времени для запуска тех или иных событий в определенные моменты времени. С этой целью на микроконтроллерах MSP430 система SYS/BIOS использует доступные периферийные таймеры. Используя функции встроенного таймера со сверхнизким энергопотреблением, система SYS/BIOS автоматически устраняет ненужные прерывания в виде тиков таймера для максимизации времени холостого хода, и следовательно, сниженного энергопотребления ЦП. Возможность подавления каждого из выполняемых прерываний с помощью этой технологии напрямую экономит рабочее энергопотребление. На рисунке 3 представлена типичная реализация ОСРВ в сравнении с интеллектуальной технологией подавления тиков SYS/BIOS. В стандартной реализации процедуры обработки прерываний отсылаются, даже если нет необходимости в запуске какого-либо события, тогда как система SYS/BIOS интеллектуально настраивает периферийный таймер MSP430 для запуска прерываний лишь в том случае, когда необходимо выполнение тех или иных действий для дальнейшей обработки.
С учетом всего вышесказанного теперь, возможно, самое время рассмотреть использование системы SYS/BIOS для своего следующего проекта на основе MSP430 – или любого другого процессора от TI, который подходит под требования вашего приложения.
Об авторе
Вольфганг Луч – инженер-инструментальщик в области микроконтроллеров MSP430 для компании Texas Instruments во Фрайзинге, Германия. Имеет степень магистра в области электротехники Университета прикладных наук в Лейпциге, Германия. На протяжении восьми лет работы в Texas Instruments участвовал в разработке множества микросхем MSP430 и работал над инструментами для MSP430, такими как бюджетные средства разработки eZ430. Специализируется на программировании микроконтроллеров MSP430 через интерфейс JTAG, программировании флеш-памяти, а также архитектурах и принципах встроенной эмуляции.