當您設計嵌入式系統時，您需要回答的問題之一是您的應用程序是否需要實時操作系統 （RTOS）。許多嵌入式設計人員都回避使用 RTOS 內核，因為他們擔心內核在處理關鍵部分時會禁用中斷，這會妨礙時間敏感型應用程序無法滿足最后期限。

什么是實時操作系統？ RTOS 是一種軟件，可以盡可能高效地管理中央處理單元 （CPU）、微處理單元 （MPU） 甚至數字信號處理器 （DSP） 的時間。大多數 RTOS 內核是用 C 語言編寫的，需要一小部分用匯編語言編寫的代碼來使內核適應不同的 CPU 架構。

內核為程序員提供了許多有用的服務，包括多任務處理、中斷管理、任務間通信和信令、資源管理、時間管理和內存分區管理。應用程序基本上分為多個任務，每個任務負責應用程序的一部分。任務是一個簡單的程序，它認為它自己擁有 CPU。每個任務都根據任務的重要性分配一個優先級。

大多數用于嵌入式系統的內核都是“搶占式”的，這意味著內核總是執行準備好運行的最重要的任務。搶占式內核也是事件驅動的，這意味著任務被設計為等待事件發生才能執行。當事件發生時，任務執行并執行其功能。如果任務等待的事件沒有發生，內核將運行其他任務。等待任務消耗 CPU 時間為零；內核允許您避免使用輪詢循環，這是對 CPU 時間的不好利用。

許多嵌入式程序員回避使用 RTOS 內核，因為他們擔心內核會給他們的應用程序增加太多復雜性。事實證明，您只需要少數服務即可使用內核啟動您的項目。至于開銷，RTOS 確實可能需要 2% 到 5% 的 CPU 資源來執行其職責。

然而，更重要的是 RTOS 在進入臨界區時需要禁用中斷。根據 CPU 本身、時鐘頻率以及內存訪問是否需要等待狀態，RTOS 可以禁用中斷數十微秒。對于大多數嵌入式應用程序而言，此限制通常不是問題，但在每微秒都很重要時可能會出現問題。

低功耗藍牙 （BLE） IoT 設備越來越多地配備 BLE 鏈路，因為當與智能手機或類似手持設備結合使用時，BLE 使這些 IoT 設備的調試和配置變得簡單方便。BLE 可以有多種操作模式、多種連接、多個廣告商等等，其中一些甚至可以重疊。

掃描模式： 設備掃描其他設備發送的廣告包。掃描由掃描之間的間隔和設備正在偵聽的時間窗口組成。掃描儀在每個間隔改變頻道頻率。需要在收到請求后 150 μs 內做出響應。這稱為幀間空間 （IFS）。

廣告模式： BLE 設備也可以自行執行廣告，廣告時間可能在 20 毫秒到 3 小時之間。

連接模式： Master 在每個連接間隔發送一個數據包，BLE Slave 設備在 150 μs 后回復 Master，即 IFS。如果 Master 有其他東西要發送給 Slave，它會在 150 μs 后向 Slave 發送一個數據包。設備相互發送數據包，直到兩端都沒有數據要發送。

對于 32 位 CPU 來說，150 微秒可能看起來很長，但在處理傳入請求時還有很多工作要做。數據包具有流控信息，指示從另一端請求什么序列號；可能有地址白名單過濾需要處理。

實際上，執行這些操作會消耗 120 μs 到 130 μs 的 CPU 時間。如果無法在 150 μs 內處理數據包，通常不會發生任何不良情況；數據吞吐量可能會略有下降或打開連接可能會延遲。從客戶的角度來看，這種行為與無線電干擾相同。但是，連續錯過這個截止日期不是一種選擇，因為它會使最終產品無法使用。

BLE 應用程序中 的 RTOS 如果 RTOS 可能會在數十微秒內禁用中斷，那么您為什么要考慮在基于 BLE 的應用程序中使用它呢？嗯，答案是這些時間緊迫的事件可以在 RTOS 之外輕松處理。具體來說，可以在 RTOS 范圍之外分配特定的時間敏感中斷服務例程 （ISR）。這些稱為非內核感知 （nKA） ISR，顧名思義，它們只是繞過 RTOS 內核。nKA ISR 的優先級高于內核感知 （KA） ISR。

圖 1：Cortex-M3 CPU 上的 ISR 和任務優先級。

圖 1 顯示了典型 Cortex-M3 CPU 的 ISR 和任務的優先級。如果 RTOS 需要保護臨界區，它會將 Cortex-M3 CPU 的 BASEPRI 寄存器設置為 0x40，從而禁用優先級為 0x40 及以下的 KA ISR。因為 0x00 和 0x20 是更高的優先級，它們將被允許中斷 CPU，即使 RTOS 處于臨界區的中間。

因此，時間敏感的 BLE ISR 可以簡單地分配優先級 0x00 或 0x20，當它們發生時，將立即處理它們，而與低優先級 ISR 或任務的狀態無關。

一項任務可能會為 nKA ISR 提供設置信息——操作模式、配置等。nKA ISR 可能還需要在任務級別執行進一步的非時間關鍵處理。因此，如果不允許 nKA ISR 進行任何 RTOS API 調用，nKA ISR 如何與任務通信？設置共享內存相當容易，如圖2 所示。

圖 2：nKA ISR 和任務之間的通信。

nKA ISR 將信息存儲到與其共享任務的內存中。

由于 nKA ISR 無法進行任何 RTOS API 調用，因此它需要觸發 KA 中斷，進而允許進行內核調用。ARM Cortex-M CPU 的嵌套向量中斷控制器 （NVIC） 允許系統設計人員做到這一點，但設計人員需要識別應用程序未使用的 I/O 設備并竊取其中斷向量以用于此目的。

因此，KA ISR 可以向任務發出信號，讓其知道共享 RAM 中的數據可用。

當所有 ISR 都已完成，并且 RTOS 已決定發出信號的任務現在是最高優先級時，該任務可以讀取 nKA ISR 發送給它的數據。

該任務可以根據需要將 nKA ISR 的信息存儲在一個共享區域中，該共享區域只能由 nKA ISR 讀取。數據寫入共享 RAM，但只有在設置“數據可用”標志時才能讀取。ARM Cortex-M3 CPU 和上面的處理器具有特殊指令，可確保設置或清除“數據可用”標志可以自動完成，以防止競爭條件，而無需禁用全局中斷。

nKA ISR 將輪詢任務提供的數據。這通常不是問題，因為無論如何都會在 nKA ISR 發生時發生這種情況。

總結 RTOS 和時間敏感的應用程序（如 BLE）可以通過制作非內核感知的時間敏感 ISR 輕松共存。使用與此類似的方案可確保時間關鍵代碼不受 RTOS 存在的影響。同時，RTOS 可以最有效地利用 CPU 來處理時間不敏感的代碼。