在高度时间敏感的低功耗蓝牙应用中使用RTOS

当您设计嵌入式系统时，您需要回答的问题之一是您的应用程序是否需要实时操作系统（RTOS）。许多嵌入式设计人员已经避免使用RTOS内核，因为他们担心内核在处理关键部分时会禁用中断，并且可能会阻止在时间敏感的应用程序中满足最终期限。

“抢占式”的，这意味着内核始终去执行将要运行的最重要的任务。抢占内核也是事件驱动的，这意味着任务旨在等待事件发生才能执行。事件发生时，任务执行并执行其功能。如果任务正在等待的事件没有发生，则内核运行其他任务。等待任务的过程并不消耗CPU时间;内核允许您去避免使用轮询循环，

什么是RTOS

RTOS是一款能够尽可能有效地管理处理单元（CPU），微处理单元（MPU）甚至数字信号处理器（DSP）的时间的软件。大多数RTOS内核都是用C编写的，并且需要用汇编语言编写的一小部分代码来使内核适应不同的CPU架构。

内核为程序员提供了许多有用的服务，包括多任务、中断管理、任务间通信和信令、资源管理、时间管理和内存分区管理。应用程序基本上会被分为多个任务，每个任务负责一部分应用程序。一项任务是一个简单的程序，它认为它拥有CPU本身。根据任务的重要性为每个任务分配一个优先级。

大多数用于嵌入式系统的内核都是

低功耗蓝牙（BLE）

物联网设备越来越多地配备BLE链因为这是对CPU时间的不良使用。

许多嵌入式程序员害怕使用RTOS内核，因为他们担心内核会增加其应用程序的复杂性。事实证明，使用RTOS内核后，你只需要少量的服务就可以让你的项目开始实施。至于开销，RTOS确实可能需要CPU资源的2％～5％来执行其职责。但更重要的是，在进入临界区时RTOS需要禁用中断。根据CPU本身，时钟频率及内存访问是否需要等待状态，RTOS可以禁止几十μs的中断。对于大多数嵌入式应用来说，这个通常不是问题，但是当每一μs都很重要时就可能会产生问题。

路，因为当与智能手机或类似的手持设备结合使用时，BLE使这些物联网设备的调试和配置简单方便。

BLE可以具有多种操作模式、多个连接、多个广告用户等，其中一些甚至可以重叠。

扫描模式：设备扫描其他设备发送的广告数据包。扫描包括扫描间隔和设备正在侦听的时间窗口之间的时间间隔。扫描仪在每个时间间隔更改频道频率。在收到请求后150μs内需要做出响应。这称为帧间空间（IFS）。

广告模式：BLE设备也可以自行执行广告，可能发生在20ms～3h之间。

连接模式：主设备以每个连接间隔发送一个数据包，BLE从设备在150μs后响应主设备，即IFS。如果主设备有其他要发送到从设备的信息，它会在150μs后发送一个数据包给从设备。设备互相发送数据包，直到没有数据要发送。

对于32位CPU来说，150μs似乎是一个很长的时间，但处理传入请求时需要做很多事情。数据包具有流量控制信息，可以指示从另一端请求的序列号;

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42特刊：无线技术可能存在需要过滤处理的地址白名单。

过了RTOS内核。nKA ISR比内核感知实际上，执行这些操作需要120μs（KA）ISR具有更高的优先级。

～130μs的CPU时间。如果一个数据包图1显示了典型Cortex-M3 CPU在150μs内无法处理，通常会发生任何的ISR和任务的优先级。如果RTOS需不良情况;数据吞吐量可能会稍微下降要保护关键部分，它会将Cortex-M3 或打开连接可能会延迟。从客户的角度CPU的BASEPRI寄存器设置为0x40，来看，这种行为与无线电干扰差不多。从而禁用优先级为0x40及以下的KA 但是，不断错过这一最后期限不是一种ISR。因为0x00和0x20的优先级较高，选择，因为它会使最终产品无法使用。

所以即使RTOS位于临界区中间，它们也将被允许中断CPU。

BLE应用中的RTOS

因此，时间敏感的BLE ISR可以简如果一个RTOS可能会中断几十单地分配优先级0x00或0x20，并且当μs，那么为什么你会考虑在基于BLE它们发生时，将立即处理它们，而不用的应用程序中使用一个？那么，答案考虑低优先级ISR或任务的状态如何。

是这些时间关键事件可以在RTOS之外有可能任务会为nKA ISR提供设轻松处理。特别是，可以在RTOS范置信息——操作模式、配置等。nKA 围之外分配特定的时间敏感中断服务ISR还可能需要在任务级别执行进一步程序（ISR）。这些被称为非内核感知的非时间关键处理。因此，如果nKA （nka）ISR，顾名思义，它们只是绕

ISR不允许进行任何RTOS API调用，

那么nKA ISR如何与任务进行通信？设置共享内存相当简单，如图2所示。

nKA ISR将信息存入与其共享任务的记忆中。由于nKA ISR不能进行任何RTOS API调用，因此需要触发KA中断，然后该中断将被允许进行内核调用。ARM Cortex-M CPU的嵌套向量中断控制器（NVIC）允许系统设计人员做到这一点，但设计人员需要识别未被应用程序使用的I/O设备并窃取其中断向量以用于此目的。

图1 Cortex-M3 CPU上的ISR和任务优先级

因此，KA ISR可以通知

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Special任务，让它知道数据在共享RAM中可用。

当所有的ISR都完成，并且RTOS已经决定信号任务是最高优先级时，任务可以读取由nKA ISR发送给它的数据。

该任务可以根据需要为nKA ISR在共享区域存放信息，该区域只能由nKA ISR读取。数据写入共享RAM，

图2 nKA ISR和任务之间的通信

但只有在设置了“数据可用”标志时才能读取。ARM Cortex-M3 CPU和上述处理器具有特殊指令，可确保设置或清除“数据可用”标志可自动完成，以防止竞争条件并且不必禁用全局中断。

nKA ISR将轮询该任务提供的数据。这通常不是问题，因为无论如何nKA ISR都会发生这种情况。

总结

RTOS和像BLE这样的时间敏感应用可以通过制作非内核感知的时间敏感的ISR来轻松共存。使用类似于此的方案可确保时间关键型代码不受RTOS存在的影响。同时，RTOS可以最有效地使用CPU来处理时间不敏感的代码。