CMSIS-RTOS2 入门教程 [2]——RTX_Config.h配置

配置RTX v5

“RTX_Config.h”文件。定义了CMSIS-RTOS RTX的配置参数，每一个使用CMSIS-RTOS RTX内核的项目的都必须有这个文件。下面几节将详细解释各个配置选项。

“RTX_Config文件”。包含空闲任务(osRtxIdleThread) 和异常报告函数(osRtxErrorNotify) 的默认实现。他们可以在用户代码中被重新定义。

配置文件使用 配置向导(Configuration Wizard Annotations)。窗口下方的注释让图形化界面操作更加友好。下图显示了在MDK5.29里打开的配置向导界面:

系统配置

System Configuration

系统配置包括全局动态内存池、时钟节拍、ISR事件缓冲区和使能循环调度的任务调度算法 的系统层面的配置。

系统配置选项：

参数解释：

Name	#define	Description
Global Dynamic Memory size [bytes]	OS_DYNAMIC_MEM_SIZE	为 全局内存池(Global Memory Pool) 定义全局动态内存大小。默认值是4096。值范围为[0-1073741824]字节，为8字节的倍数
Kernel Tick Frequency (Hz)	OS_TICK_FREQ	系统节拍 的频率，决定了 时间片 的最小计量单元，单位HZ。1000Hz = 1ms的周期。
Round-Robin Thread switching	OS_ROBIN_ENABLE	选择是否使能 循环调度。
Round-Robin Timeout	OS_ROBIN_TIMEOUT	表示时间片的大小，单位是系统时钟节拍个数。默认值是5。取值范围为[1-1000]。
ISR FIFO Queue	OS_ISR_FIFO_QUEUE	表示 ISR FIFO 队列大小。中断服务程序中调用以isr_ 开头的函数时，会将请求类型存到此缓冲中。默认值是16个条目(entries)。值范围是[4-256]，4的倍数。
Object Memory usage counters	OS_OBJ_MEM_USAGE	使能 对象内存使用计数器，用于单独计算每个RTOS对象类型的最大内存池需求。

时钟节拍 与 时间片

时钟节拍： CPU以一定的频率进行中断，可以看成操作系统的心跳。利用时间节拍可以做到一些任务的时间管理，延时、定时、超时检测、时间片轮转调度。即时钟节拍的周期是系统总线周期的若干倍。时钟节拍频率越高，对系统的负担就越大。

时间片： 循环调度时，线程获得一个时间片的运行时间。也就是在同一优先级下，每个任务运行的时间，这个时间是 时钟节拍 的倍数。时间片过长，线程切换不及时，会造成资源利用率低；时间片过短，会造成频繁的任务切换，导致系统开销变大。

循环调度算法

Round-Robin Thread Switching

RTX5 可以使用 循环(Round-Robin)调度算法 来处理多任务切换。Round-Robin 可以让多个 相同优先级 的线程 近似同时(quasi-parallel) 执行。
线程并不是同时执行的，而是将可用的 CPU 时间轴划分为时间片，一个时间片内只运行一种用户线程(不发生高优先级抢占的情况下)。因为时间片通常很短(只有几毫秒)，所以看起来好像线程是同时执行的。

循环调度流程如下:

• 当线程切换发生时，计数值(tick) 会被赋值为 超时值(timeout value)
• 执行同一个线程，计数值递减(时钟不为零)
• 当 计数值 递减至0时，标志这个时间片结束了。如果有其他同优先级的线程已经就绪，系统就会切换到该线程，并再次把 超时值 赋给 计数值。

换句话说就是，一个线程在一个时间片内执行。当前时间片结束时，RTX切换到下一个 优先级相同 且 处于就绪状态 的线程。如果没有其他具有相同优先级的线程准备运行，则继续执行当前运行的线程。

请注意:
当切换到高优先级线程时，计数值(tick) 将被重置为 循环超时值(timeout value)。

是否开启 循环调度 由 #define OS_ROBIN_ENABLE 控制。时间片长度 可在“RTX_Config.h”中使用 #define OS_ROBIN_TIMEOUT 配置

ISR FIFO队列

ISR FIFO Queue

ISR(Interrupt Service Routines)，中断服务函数。
IRQ(Interrupt Request),中断请求

当在中断中调用RTX函数时，系统会把请求类型和可选参数存储到 ISR FIFO 队列缓冲区中，以便在退出中断后进行处理。

当IRQ中断处理(IRQ handler)完成了处理存储在FIFO队列缓冲区中的消息之后，将立即激活调度器。这个缓冲区所需的大小取决于在中断服务函数中调用的函数的数量。osRtxErrorNotify将使用错误代码osRtxErrorISRQueueOverflow来捕获不足的队列大小。

对象内存使用计数器

Object Memory Usage Counters

对象内存使用计数器有助于评估每种对象类型的最大内存池需求，就像堆栈水印用于线程一样。初始化设置从全局内存池开始。

在启用 对象内存使用计数器 的情况下连续运行应用程序，有助于为每种对象类型引入 对象特定的内存池 。通常，这对于需要功能性安全认证的应用程序是必需的，因为在这种情况下不允许使用全局内存池

线程配置

Thread Configuration

RTX5提供了几个参数来配置线程管理功能。

Option	#define	Description
Object specific Memory allocation	OS_THREAD_OBJ_MEM	是否启用对象特定内存分配。
Number of user Threads	OS_THREAD_NUM	定义可以同时运行的最大用户线程数。适用于系统为控制块提供内存的用户线程。默认值是1。值范围是[1-1000]
Number of user Threads with default Stack size	OS_THREAD_DEF_STACK_NUM	定义使用默认堆栈大小的线程数，取0则表示所有线程都不使用默认大小而使用自定义堆栈大小。取值范围为[0-1000]。
Total Stack size [bytes] for user Threads with user-provided Stack size	OS_THREAD_USER_STACK_SIZE	用户自定义堆栈大小的用户线程的总堆栈大小[字节]。默认值为0。值范围为[0-1073741824]字节，为8的倍数。
Default Thread Stack size [bytes]	OS_STACK_SIZE	默认线程堆栈的大小，用户未提供堆栈大小时使用此参数。默认值是200。值范围为[96-1073741824]字节，为8的倍数。
Idle Thread Stack size [bytes]	OS_IDLE_THREAD_STACK_SIZE	定义空闲线程的堆栈大小。默认值是200。值范围为[72-1073741824]字节，以8为倍数。
Idle Thread TrustZone Module ID	OS_IDLE_THREAD_TZ_MOD_ID	定义空闲线程应该使用的 TrustZone Module ID。如果空闲线程需要调用安全函数，则需要将该值设置为非零值。默认值为0。
Stack overrun checking	OS_STACK_CHECK	启用线程切换处的堆栈溢出检查。
Stack usage watermark	OS_STACK_WATERMARK	使用水印模式初始化线程堆栈，以分析堆栈使用情况。启用此选项会显著增加线程创建的执行时间。
Processor mode for Thread execution	OS_PRIVILEGE_MODE	选择处理器模式。默认值是特权模式。取值范围为[0=无特权;1 =特权)模式。

配置线程数和堆栈空间

Configuration of Thread Count and Stack Space

RTX5内核为每个线程使用一个单独的堆栈空间，并提供了两种定义堆栈需求的方法:

1. 静态分配(Static allocation):
   前提条件：结构体 osThreadAttr_t 中的 stack_mem 和 stack_size 成员指定了用于线程堆栈的内存区域。
   注意:提供的堆栈内存必须是64位对齐的，即使用uint64_t进行声明。
2. 动态分配(Dynamic allocation):
   前提条件：结构体 osThreadAttr_t 是 NULL 或其中成员变量 stack_mem 为空。
   系统将按以下规则分配内存:
   1. 如果启用了“对象特定内存分配”，
      且“用户线程的默认堆栈大小” 不是0，
      且 osThreadAttr_t 中 stack_size 是0(或 osThreadAttr_t 为 NULL)。
      那么，将对象存储在 默认堆栈大小 的 对象特定内存池(Object-specific Memory Pool)。
   2. 如果启用了“对象特定内存分配”，
      且“ 用户自定义堆栈大小的线程的总堆栈大小 ”不为0，
      且osThreadAttr_t 中 stack_size 不为0。
      那么，将对象存储在 用户自定义堆栈大小 的 对象特定内存池
      4.如果未启用“对象特定内存分配”，
      或（ osThreadAttr_t 中 stack_size不为0，且“用户自定义堆栈大小的线程的总堆栈大小”为0）
      或（ osThreadAttr_t::stack_size为0，且“具有默认堆栈大小的用户线程数”为0）
      那么，将对象存储在 全局内存池。

osThreadAttr_t 是 osThreadNew() 的一个参数。

栈溢出检查

Stack Overflow Checking

RTX5实现了一个软件堆栈溢出检查(software stack overflow checking)，可以捕获堆栈溢出。堆栈(Stack)，是用于暂存返回地址和自动变量的空间。堆栈配置不合理可能导致堆栈溢出。是否开启软件堆栈溢出检查由宏定义 OS_STACK_CHECK 决定。

如果检测到堆栈溢出，系统将调用函数 osRtxErrorNotify() ，函数参数为错误代码 osRtxErrorStackUnderflow 。默认情况下，这个函数被实现为一个无限循环，会终止代码执行。

堆栈使用水印

Stack Usage Watermark

RTX5在创建线程时使用水印模式(0xCC)初始化线程堆栈。这允许调试器确定每个线程的最大堆栈使用量。它通常在开发期间使用，然后在最终程序中删除。是否开启堆栈水印由宏定义OS_STACK_WATERMARK 决定。

启用此选项将显著增加 osThreadNew() 的执行时间(取决于线程堆栈大小)。

线程执行的处理器模式

Processor Mode for Thread Execution

RTX5允许以非特权或特权处理器模式执行线程。处理器模式由 OS_PRIVILEGE_MODE 决定。

在非特权处理模式下，应用软件:

• 只能访问MSR和MRS指令，不能使用CPS指令。
• 无法访问系统计时器、NVIC或系统控制块。
• 可能限制对内存或外设的访问。

在特权处理器模式下，应用程序软件可以使用所有指令并访问所有资源。

时钟配置

Timer Configuration

RTX5提供了几个参数来配置计时器管理功能。

Name	#define	Description
Object specific Memory allocation	OS_TIMER_OBJ_MEM	使能 对象特定内存分配(Object specific Memory allocation)
Number of Timer objects	OS_TIMER_NUM	代表可以同时运行的最大用户定时器数。适用于系统为控制块提供内存的用户定时器。默认值是 1 。值范围是 [1-1000]。
Timer Thread Priority	OS_TIMER_THREAD_PRIO	表示定时器线程的优先级。默认值是 40。取值范围为 [8-48]，取 8的倍数。这些数字的优先级相关如下: 8=低;16 =低于正常;24 =正常;32 =高于正常;40 =高;48 =实时
Timer Thread Stack size [bytes]	OS_TIMER_THREAD_STACK_SIZE	定义计时器线程的堆栈大小。当不使用计时器时，可以将其设置为 0。默认值是 200。取值范围为 [0-1073741824]，取 8的倍数。
Timer Callback Queue entries	OS_TIMER_CB_QUEUE	定时器回调函数可以同时运行的最大数目。当不使用计时器时，可以将其设置为 0。默认值是 4。取值范围为 [0-256]。
Timer Thread TrustZone Module ID	OS_TIMER_THREAD_TZ_MOD_ID	定义空闲线程应该使用的 TrustZone Module ID。如果空闲线程需要调用安全函数，则需要将该值设置为非零值。默认值为0。

用户定时器线程

User Timer Thread

当一个时间片结束时，函数osRtxTimerThread执行回调函数。完整RTOS系统中的计时器子系统的优先级继承自 osRtxTimerThread 的优先级。这是由 OS_TIMER_THREAD_PRIO 配置的。回调函数的堆栈由 osRtxTimerThread 提供。OS_TIMER_THREAD_STACK_SIZE必须满足具有最高堆栈使用率的回调函数的堆栈要求。

Event Flags配置

Event Flags Configuration

RTX5提供了几个参数来配置 事件标志(Event Flags) 功能。

Name	#define	Description
Object specific Memory allocation	OS_EVFLAGS_OBJ_MEM	启用对象特定的内存分配。
Number of Event Flags objects	OS_EVFLAGS_NUM	定义同时活跃的最大事件标记数。适用于系统为控制块提供内存的控制块。取值范围为[1-1000]。

Event Flags 的对象特定内存分配

Object-specific memory allocation

当使用对象特定内存时，所有 事件标记对象(Event object) 的内存池大小由OS_EVFLAGS_NUM指定。

互斥量 对象配置

Mutex Configuration

RTX5提供了几个参数来配置互斥量(Mutex)功能。

Name	#define	Description
Object specific	Memory allocation	OS_MUTEX_OBJ_MEM
Number of Mutex objects	OS_MUTEX_NUM	定义可以同时活动的最大对象数。应用于系统为控制块提供内存的对象。取值范围为 [1-1000]。

互斥量 的对象特定内存分配

Object-specific Memory Allocation

当使用对象特定内存时，所有 互斥量对象(Mutex object) 的内存池大小由 OS_MUTEX_NUM 指定。

信号量 配置

Semaphore Configuration

Name	#define	Description
Object specific Memory allocation	OS_SEMAPHORE_OBJ_MEM	启用对象特定的内存分配。
Number of Semaphore objects	OS_SEMAPHORE_NUM	定义可以同时活动的最大信号量数目。应用于系统为控制块提供内存的对象。取值范围为 [1-1000]。

信号量 的对象特定内存分配

Object-specific Memory Allocation

当使用对象特定内存时，所有 信号量对象(Semaphore object) 的内存池大小由 OS_SEMAPHORE_NUM 指定。

内存池 配置

Memory Pool Configuration

Name	#define	Description
Object specific Memory allocation	OS_MEMPOOL_OBJ_MEM	启用特定于对象的内存分配。
Number of Memory Pool objects	OS_MEMPOOL_NUM	定义可以同时活动的最大对象数。应用于系统为控制块提供内存的对象。取值范围为 [1-1000]。
Data Storage Memory size [bytes]	OS_MEMPOOL_DATA_SIZE	定义了总体数据存储内存大小。应用于系统为数据存储提供内存的对象。默认值为 0。取值范围为 [0-1073741824]，取 8 的倍数。

内存池 的对象特定内存分配

Object-specific memory allocation

当使用 对象特定的内存(object-specific memory) 时，所有 内存池对象(MemoryPool) 的数量由 OS_MEMPOOL_NUM 指定。所有内存池的存储总量大小由 OS_MEMPOOL_DATA_SIZE 中配置。

消息队列 配置

Message Queue Configuration

Name	#define	Description
Object specific Memory allocation	OS_MSGQUEUE_OBJ_MEM	启用特定对象的内存分配。
Number of Message Queue objects	OS_MSGQUEUE_NUM	定义可以同时活动的最大对象数。应用于系统为控制块提供内存的对象。取值范围为 [1-1000]。
Data Storage Memory size [bytes]	OS_MSGQUEUE_DATA_SIZE	定义了所有信号量的内存容量总大小。应用于系统为数据存储提供内存的对象。默认值为 0。取值范围为 [0-1073741824]，取 8 的倍数。

消息队列 的对象特定内存分配

Object-specific memory allocation

当使用对象特定的内存时，所有 消息队列对象( Message Queue objects) 的数量由 OS_MSGQUEUE_NUM 指定。所有队列的总存储容量在 OS_MSGQUEUE_DATA_SIZE 中配置。

事件记录器 配置

Event Recorder Configuration