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RMP Real-time kernel

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Click HERE for English version.

  RMP 是一个专注于形式化验证和简易可用的小型实时系统。它通过采取形式化方法来确保系统的可靠性（当前验证工作还未完成；不过，100%的白盒测试分支覆盖率已经达到。目前的内核可以被看作IEC 61508 SIL2预认证等级，或者EAL 4）。所有的实时操作系统必备的功能它都具备，但是并不在此基础上提供更多可选组件以确保内核的精炼性。这样，得到的内核就是一个最小化的内核，可以很方便地对它进行形式化验证。同时，它还可以作为客户操作系统运行在虚拟机监视器上。

  本系统比以 FreeRTOS 和 RT-Thread 为代表的全功能系统相比要小得多，而且理解起来应该也相对容易得多。即便本系统仅仅包含了一个.C文件，它仍然提供了高效的内存管理，抗锯齿图形界面库和其他实用函数，并且这些功能的实现都不消耗任何额外的RAM！

  本系统的手册可以在 这里 找到。

  如果想要参与开发，请阅读 参与 和 规范 两个指导文档。如果要提交拉取请求，请使用 拉取请求模板 。 本软件是EDI的官方作品，因此属于 公有领域 。 所有由EDI保留的版权在所有适用的法律条款下尽最大可能地授权给所有实体。

  对于那些由微控制器厂商提供的硬件抽象层软件包，请到 M0A00_Library 软件仓库自行下载。

快速演示

可在Linux上直接运行的Demo

  从 这里 下载预编译的x86-32位Linux系统上可运行的二进制，观察性能测试的运行结果！

内建图形库：控件，界面样例和FXAA抗锯齿细节

Controls Calculator FXAA

基础线程操作

创建一个线程

    RMP_Thd_Crt(&Thd_1            /* 线程控制块 */, 
                Func_1            /* 线程入口 */,
                &Stack_1          /* 线程栈地址 */,
                sizeof(Stack_1),  /* 线程栈大小 */,
                (void*)0x12345678 /* 参数 */,
                1                 /* 优先级 */, 
                5                 /* 时间片 */);

删除一个线程

    RMP_Thd_Del(&Thd_1            /* 线程控制块 */);

悬起一个线程

    RMP_Thd_Suspend(&Thd_1        /* 线程控制块 */);

解除线程悬起

    RMP_Thd_Resume(&Thd_1         /* 线程控制块 */);

线程延时

Delay

    void Func_1(void* Param)
    {
        RMP_LOG_S("Parameter passed is ");
        RMP_LOG_H((ptr_t)Param);
        RMP_LOG_S("\r\n");
        while(1)
        {
            RMP_Thd_Delay(30000);
            RMP_LOG_S("Delayed 30000 cycles\r\n\r\n");
        };
    }

    void RMP_Init_Hook(void)
    {
        RMP_Thd_Crt(&Thd_1, Func_1, &Stack_1, sizeof(Stack_1), (void*)0x12345678, 1, 5);
    }

从一个线程向另一个线程的邮箱发送

Send

    void Func_1(void* Param)
    {
        ptr_t Time=0;
        while(1)
        {
            RMP_Thd_Delay(30000);
            RMP_Thd_Snd(&Thd_2, Time, RMP_SLICE_MAX);
            Time++;
        };
    }

    void Func_2(void* Param)
    {
        ptr_t Data;
        while(1)
        {
            RMP_Thd_Rcv(&Data, RMP_SLICE_MAX);
            RMP_LOG_S("Received ");
            RMP_LOG_I(Data);
            RMP_LOG_S("\n");
        };
    }

    void RMP_Init_Hook(void)
    {
        RMP_Thd_Crt(&Thd_1, Func_1, &Stack_1, sizeof(Stack_1), (void*)0x12345678, 1, 5);
        RMP_Thd_Crt(&Thd_2, Func_2, &Stack_2, sizeof(Stack_2), (void*)0x87654321, 1, 5);
    }

计数信号量

Semaphore

    void Func_1(void* Param)
    {
        while(1)
        {
            RMP_Thd_Delay(30000);
            RMP_Sem_Post(&Sem_1, 1);
        };
    }

    void Func_2(void* Param)
    {
        ptr_t Data;
        while(1)
        {
            RMP_Sem_Pend(&Sem_1, RMP_SLICE_MAX);
            RMP_LOG_S("Semaphore successfully acquired!\r\n\r\n");
        };
    }

    void RMP_Init_Hook(void)
    {
        RMP_Sem_Crt(&Sem_1,0);
        RMP_Thd_Crt(&Thd_1, Func_1, &Stack_1, sizeof(Stack_1), (void*)0x12345678, 1, 5);
        RMP_Thd_Crt(&Thd_2, Func_2, &Stack_2, sizeof(Stack_2), (void*)0x87654321, 1, 5);
    }

内存池操作

    /* 初始化内存池 */
    RMP_Mem_Init(Pool, Pool_Size);

    /* 从内存池分配内存 */
    Mem=RMP_Malloc(Pool, Alloc_Size);

    /* 向内存池归还内存 */
    RMP_Free(Pool, Mem);

所有支持架构上的典型性能数据

  本系统的绝对最小值在1.6k ROM和432Byte RAM左右，这个大小是在STM32F030F4（Cortex-M0+）的移植上达到的，并包括了第一个线程的60Byte的线程控制块和256Byte的线程栈，以及64Byte的内核中断响应用栈。操作系统内核和最精简的HAL库一共仅占用了52Byte存储。如果你对这个数字仍不满意，那么可以不使用厂商提供的HAL库而自己写一个版本。

  内核的时间性能如下所示。所有的编译器优化选项都被设为最高（通常是-O3），而且时间优化选项也被打开。所有值均为 CPU 周期的平均值。

  • Yield : 两线程间的切换操作。
  • Mail : 两线程间使用邮箱进行发送-接收操作。
  • Sem : 两线程间使用计数信号量进行发布-获取操作。
  • FIFO : 在单个线程内进行FIFO读/写。
  • Msgq : 两线程间的消息队列通信。
  • Bmq : 两线程间的阻塞消息队列通信。
  • Mail/I : 从中断发送到某线程邮箱。
  • Sem/I : 从中断发布信号量。
  • Msgq/I : 从中断发送到消息队列。
  • Bmq/I : 从中断发送到阻塞消息队列。
  • Mem : 进行一对内存分配/释放操作。

  Msgq和Bmq的区别在于前者只有接收方可以阻塞，后者双方都可以阻塞。

芯片 架构 工具链 Yield Mail Sem FIFO Msgq Bmq Mail/I Sem/I Msgq/I Bmq/I Mem
STM32F030F4 Cortex-M0 Keil 362 763 666 379 1196 1609 689 616 950 1211 N/A
... ... GCC 366 802 690 396 1246 1685 705 622 954 1200 N/A
STM32L071CB Cortex-M0+ Keil 335 581 532 253 892 1167 554 524 756 945 N/A
... ... GCC 337 656 600 284 947 1260 578 602 794 1003 N/A
STM32F103RE Cortex-M3 Keil 203 438 385 226 684 930 392 354 542 707 518
... ... GCC TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD
STM32F405RG Cortex-M4 Keil 180 345 321 180 667 886 309 302 498 626 455
... ... GCC 196 388 345 192 677 953 381 349 566 743 411
STM32F767IG Cortex-M7 Keil 176 329 277 174 510 694 328 259 413 516 334
... ... GCC 182 335 288 156 473 643 313 264 375 514 332
TMS570LS0432 Cortex-R4 CCS 306 493 460 193 686 897 480 464 592 736 533
TMS570LC4357 Cortex-R5 CCS 275 479 467 216 746 998 440 435 595 763 482
DSPIC33EP512 DSPIC33E XC16 540 844 784 344 1148 1573 435 930 1182 1428 889
MSP430F149 MSP430 CCS 312 641 573 312 985 1278 528 487 739 898 N/A
MSP430FR5994 MSP430X CCS 468 1054 891 492 1573 2072 891 784 1176 1464 3291
PIC32MZ2048 MIPS M14k XC32 260 392 370 146 540 672 440 420 530 620 364
TMS320F28335 C28x CCS 246 513 440 235 751 1001 440 413 622 770 946
CH32V307 RV32IMAC GCC 246 426 386 179 605 767 359 321 466 593 TBD
CH32V307 RV32IMAFC GCC 318 495 457 182 674 836 405 366 500 624 TBD
i9-7980XE X86-LINUX GCC TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD

  RVM 嵌入式虚拟机监视器虚拟化版本：

芯片 架构 工具链 Yield Mail Sem FIFO Msgq Bmq Mail/I Sem/I Msgq/I Bmq/I Mem
STM32L071CB Cortex-M0+ Keil 469 841 717 391 1143 1529 1484 1376 1646 1867 N/A
... ... GCC TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD
STM32F405RG Cortex-M4 Keil TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD
... ... GCC TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD
STM32F767IG Cortex-M7 Keil 221 403 348 150 589 765 942 962 1134 1227 334
... ... GCC TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD TBD

作为对比，RT-Linux 4.12在Cortex-M7上的最好线程切换时间是25000时钟周期。这是使用futex测得的；如使用其他IPC如管道等，则结果更差。

将来可能支持的新架构

架构 原因 支持优先度
RL78 常用16位单片机 ⭐⭐⭐

明确不考虑支持的架构

架构 原因 替代方案
PIC18 硬件堆栈 使用RMS状态机操作系统
AVR32 正在消亡 使用大众化的Cortex-M和Cortex-R
ARMv5 被替代 使用更新的Cortex-M和Cortex-R
x86-64 高级系统 使用RME微内核操作系统
Cortex-A 高级系统 使用RME微内核操作系统
Coldfire 正在消亡 使用大众化的Cortex-M和Cortex-R
PowerPC 正在消亡 使用大众化的Cortex-M和Cortex-R
RX100/600/600S 小众架构 使用大众化的Cortex-M和Cortex-R
Tricore 小众架构 使用大众化的Cortex-M和Cortex-R
MB91460 小众架构 使用大众化的Cortex-M和Cortex-R

新手上路

  下面的说明会帮助你在本地快速建立一个可用来评估测试本系统的工程。请参看系统的中文文档以获取更多信息。

准备工作

  要运行测试，你需要一块基于 Cortex-M或RISC-V或MIPS或MSP430 的开发板。本RTOS主要面向资源受限的MCU，不提供对高端MCU，MPU和CPU的特别支持。不要使用QEMU模拟器来测试本系统，因为QEMU有很多不完善之处，与真正的硬件行为并不一致。

  如果你没有开发板，那么RMP也有一个 基于x86处理器的Linux移植 。然而，该移植使用了ptrace系统调用和信号系统，因此并不很快，这一点可以从性能测试的数据看出。

  对于其他平台的支持应该也是容易实现的，但是当前并没有支持计划。对于那些Cortex-A和具备内存管理单元（MMU）的其他处理器，可以使用M7M1_MuEukaron 实时多核心微内核；M7M1也支持一部分的Cortex-M和全部的Cortex-R。

编译指南

  在 Project 文件夹下能够找到多种微控制器的移植好的 厂商集成开发环境 或 Eclipse 的工程样板。参看各个工程文件夹下的自述文件以获取更多关于如何编译和运行该工程的信息。某些工程需要额外的厂商硬件抽象层库的支持，它们可以在 M0A00_Library 软件仓库被找到。

运行测试

  要运行测试，只要将测试下载到对应的开发板并开始单步调试即可。某些例子会采用两个LED来指示系统当前的状态，此时要填充LED的点亮和熄灭函数来运行该示例。

  要使用本系统内建的图形库，请参考用户手册的相关章节。

生产部署

  当部署本系统到生产环境时，请仔细阅读本系统自带的手册，以确保各项配置正确。本系统的手册可以在 Documents 文件夹下找到。

支持的工具链

  • Keil uVision (ARMCC/ARMCLANG)
  • Code Composer Studio
  • MPLAB X XC16/XC32
  • GCC/Clang-LLVM

  其他的工具链现在不推荐或者当前不受支持，虽然要增加新的支持应该也很简单。

参与项目

  请阅读CONTRIBUTING.md文档来获得关于行为规范和提交代码的相关信息。

EDI 工程信息

  • M5P01 R5T2

杰出贡献者

  • 宋磊锋 - ARM Cortex-M3/4/7 的GCC汇编支持。
  • 侯润升 - ARM Cortex-M4/7 的RVM支持，以及lwIP示例。
  • 王逸鹤 - 稳定的x86/linux/ptrace移植。
  • 张然 - C28x数字信号处理器移植。
  • 张凯 - 白盒测试用例。