Embedded OS für ARM Cortex Microcontroller

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1 Embedded OS für ARM Cortex Microcontroller RTOS Design, Timinganalyse und Test mit Core Simulation und Hardware Debugger

2 Entscheidende Fragen für oder gegen RTOS Lohnt sich der Einsatz eines RTOS auch für Kleinstsysteme? Ist RTOS auch für Kleinsysteme geeignet? Lohnt sich der Aufwand? Gibt es Bedenken?

3 Grundsätzliche Systemkriterien Zur Applikationsentwicklung sollte man auf folgende Eckdaten beachten: Speicher Zeit, Geschwindigkeit Funktionalität Echtzeitverhalten Mit einem RTOS ist es möglich den zeitlichen Ablauf sowie die Funktionalität mit einem Minimum an Speicher zu optimieren und dabei das deterministische Zeitverhalten in den Griff zu bekommen.

4 gegründet 1988 Messtechnik und embedded Computing 7 Mitarbeiter seit 25 Jahren Keil Distributor seit 6 Jahren ARM Partner Nidau bei Biel/Bienne Sprachgrenze d/f

5 KEIL/ARM Produkte DS-5 Leading System for Cortex-A Eclipse Based DIE Supports ARMv4 - ARMv8 MDK-ARM Leading System for Cortex-M Keil IDE Supports ARM7, ARM9, SecurCore, Cortex-M, Cortex-R4

6 ARM Prozessor Portfolio Neu ARMv8, 64-Bit DS-5 Cortex-M4 MDK-ARM Cortex-M0 Cortex-M0+

7 Begriffe um RTOS Kernel Sheduler Thread / Task Event, significant Event Delay, Pause, Interval und Timer Semaphore / Mutex Mailbox / Memorypool Queues

8 CMSIS-RTOS RTX Royalty-Free with Source Code Flexible Scheduling High-Speed real-time Operation Low interrupt latency Small footprint Kernel aware debug Unlimited: Number of Threads Mailboxes Semaphores Mutex Timers

9 Technische Eckdaten CMSIS-RTX Description Defined Threads Active Threads Mailboxes Semaphores Mutexes Signals Timer Callbacks Code Space RAM Space for Kernel RAM Space for a Thread RAM Space for a Mailbox RAM Space for a Semaphore RAM Space for a Mutex RAM Space for a User Timer Hardware Requirements Thread context switch time Interrupt lockout time Limitations Unlimited 250 max Unlimited Unlimited Unlimited 16 per thread Unlimited < 5.0 Kbytes 300 bytes bytes Main Stack StackSize + 52 bytes MaxMessages * bytes 8 bytes 12 bytes 20 bytes SysTick timer or other hardware timer < MHz Not disabled

10 Kernel und Middleware = Mini-OS Application Middleware Threads Kernel

11 Bedenken gegen einen Einsatz von RTOS Overhead Speicher: Footprint Cortex-M RAM Flash Differenzierung abhängig Anzahl aktiver Threads

12 Befürchtungen gegen den Einsatz von RTOS Overhead Timing Contextswitch 5-8 us Save the current thread s context (i.e.: GP and FP register values and PC) on the stack. Save the current stack pointer in the thread's control block. Switch to the system stack pointer. Return to the scheduler. Find the highest priority thread that is ready to run. Switch to the new thread's stack. Recover the new thread's context. Return to the new thread at its previous PC. Other processing Differenzierung Cortex M0, M0+, M3, M4, M4F Anzahl Register

13 Befürchtungen gegen den Einsatz von RTOS Overhead Funktionen ich brauche kein so komplexes System Bereits die einfachsten RTOS Funktionen können von grossem Nutzen sein und schon nur wegen diesen Funktionen kann es sich lohnen einen Echtzeit-Kernel einzusetzen Zum Beispiel intervallbasierende Abläufe

14 RTX Funktions Uebersicht Communication Mailbox Queues Synchronisation Semaphore Mutex Timing Management Delay Timer

15 Timing Management Delay Timer

16 Synchronisation Semaphore Mutex

17 Communication Mailbox Queues

18 Vertrauen fassen Keine Angst vor dem Einsatz eines RTOS Systems Wenn Sie einem System vertrauen, haben Sie keine Angst, höchstens Respekt aber wie?

19 Vertrauen fassen Source Code Einsicht Event Viewer System Viewer Stack Überwachung Symbols Window

20 Was sind die Vorteile bei einer Entwicklung mit einem RTOS Technisch Keine zusätzlichen Hardwaretimer intialisieren und programmieren Keinen eigenen Scheduler schreiben, d.h. Arbeiten können nach Kategorie oder Priorität in einem Thread zyklisch linear abgearbeitet werden Code ist klarer und logisch nach Anwendung geordnet Derivat Unabhängig (RTX verwendet im Normalfall den Core Timer 0) Part der ARM Architektur Low Power Management wird leicht gemacht mit dem Low Power RTX ganz schnelle Aktionen können über Interrupt gelöst werden

21 Was sind die Vorteile bei einer Entwicklung mit einem RTOS Technisch Beispiel: Steuerung, SPS mit einer Visualisierung und Kommunikation mit 3 Threads: Input, Logik, Output Kommunikation Visualisierung (tiefe Priorität)

22 Was sind die Vorteile bei einer Entwicklung mit einem RTOS Methodik Modularer Aufbau, viele Probleme werden bereits auf der Design Ebene diskutiert, entschieden und implementiert. was ist wichtig Antwortzeiten Performance Worst Case Analyse Restzeitanalyse -> Prioritäten -> Timing -> Reserven lassen sich gut beurteilen

23 Was sind dann die Vorteile bei einer Entwicklung mit einem RTOS Teamwork Nehmen wir nochmals das SPS Beispiel, hier kann der Kommunikation zum grossen Teil unabhängig von der Applikation programmiert und getestet werden. Arbeiten lassen sich in einem Team modular aufteilen oder auslagern. Third Party Software lässt sich leicht integrieren.

24 DEMO Timing-Funktionen Task-Synchronisation, Event Flag Interrupt System Viewer Event Viewer

25 Resume / Fazit Klare Struktur im Quellcode Kleinerer Wartungsaufwand Bessere Erweiterbarkeit Vereinfachte Wiederverwertbarkeit Einfachere Aufgabenverteilung Vereinfachte Applikationsprogrammierung Gute Portabilität Produktivitätsgewinn

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