基于STM32的mbed OS移植與低功耗研究

張 翔，楊東升

1(中國科學院 沈陽計算技術(shù)研究所有限公司，沈陽 110168)

2(中國科學院大學，北京 100049)

E-mail:492490817@qq.com

1 引 言

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的概念，最先來自于無線傳感器操作系統(tǒng)，知名的有TinyOS 和Contiki.與傳統(tǒng)的嵌入式設備相比，物聯(lián)網(wǎng)感知層具有更小的設備、更低的功耗、更高的安全性和更靈活的聯(lián)網(wǎng)能力；物聯(lián)網(wǎng)通信層需要支持各種通信協(xié)議和協(xié)議轉(zhuǎn)換；應用層需要云計算能力；在軟件方面，支持物聯(lián)網(wǎng)設備的軟件比傳統(tǒng)的嵌入式設備軟件更加復雜[1].于是就有了物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)IoT OS，簡而言之，IoT OS就是具備物聯(lián)網(wǎng)需求的嵌入式操作系統(tǒng).從2014年至今，陸續(xù)出現(xiàn)了支持不同廠商的MCU設備的IoT OS，ARM mbed OS正是其中突出的一員.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應用于智能電網(wǎng)、智能交通、環(huán)境監(jiān)測等各種領域[2,3]，為了適應新的物聯(lián)網(wǎng)時代的變化，ARM提供了一個全新的開發(fā)方式，Arm mbed將物聯(lián)網(wǎng)的所有基本組件(包括安全性，通信和設備管理)集成到一整套軟件中，以協(xié)助開發(fā)低功耗、產(chǎn)品級的物聯(lián)網(wǎng)設備和并優(yōu)化生產(chǎn)流程.mbed包括了云服務、客戶端、mbed OS等幾大部分.在mbed 上可以使用mbed TSL實現(xiàn)網(wǎng)絡安全協(xié)議，也可以實現(xiàn)CoAP 這樣的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，支持訪問Restful API來接入中國移動的OneNet物聯(lián)網(wǎng)云端服務[4].Arm 公司希望mbed成為物聯(lián)網(wǎng)領域的android，在mbed OS 中注入了大量的最新技術(shù).本文正是在此背景下，針對mbed OS的功能需求進行研究，由于mbed OS目前僅支持受限的開發(fā)板型號，提出了一套mbed OS的移植流程，并在STM32設備上驗證，并提出了低功耗優(yōu)化方案，增加了低功耗看門狗功能，測試了系統(tǒng)功耗水平.

2 mbed OS概述

mbed不僅僅指一個嵌入式系統(tǒng),也是一個面向ARM處理器的設備開發(fā)平臺，Arm mbed提供高效，安全，快速開發(fā)下一個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品所需的操作系統(tǒng)，工具和云服務，內(nèi)容涉及從硬件到軟件、從物端到云端等，功能包括安全、通信傳輸、設備管理等方面，為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)從原型、開發(fā)到生產(chǎn)的快速便捷.

mbed OS為免費的開源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，面向Cortex-M系列處理器，它通過mbed web complier在線編譯，代替了傳統(tǒng)的離線編譯器，使整個開發(fā)在瀏覽器中完成，使用它編譯程序而不必安裝或設置任何東西，為了省去用戶開發(fā)環(huán)境搭建的麻煩，用戶只要上網(wǎng)就可以開發(fā)[5].mbed將硬件相關程序使用中間件封裝，因此基于mbed OS的開發(fā)只用專注于編寫調(diào)用硬件功能接口的C/C++應用程序，而不需要關心底層驅(qū)動，極大限度地降低了嵌入式開發(fā)的難度,簡化了軟件開發(fā)流程，縮短了開發(fā)中的學習過程[6].同時mbed OS搭載CMSIS框架,CMSIS專為Cortex-M而設計，是獨立于供應商的硬件抽象層[7].它屏蔽了微處理器之間的差異，使得基于mbed的用戶可以輕松地替換來自不同制造商的ARM微處理器，而不用更改工程代碼.

對于嵌入式開發(fā)，mbed OS最大的幫助就是提供了許多有用的組件，它提供的強大的API功能幾乎包含控制器內(nèi)部各種模塊的使用，如串行通信、中斷、模擬/數(shù)字信號、網(wǎng)絡接口等，使用mbed編寫簡單的應用程序只需要短短的幾行代碼[8].它的Libraries提供了各種硬件、傳感器的庫，使得設備接入更加快捷.mbed OS與Arduino非常相似，Arduino具有便捷靈活、方便上手的特點，在嵌入式程序中非常流行[9].同樣的，它們易于使用，直觀的編程和設計，降低了開發(fā)門檻，使得初學者也能快速獲得足以創(chuàng)造具有某種技術(shù)水平的新產(chǎn)品的能力[10]，但是mbed的功能更加強大，應用領域更廣.

3 mbed在STM32上的移植

mbed采用網(wǎng)頁編譯方式，通過在線選擇mbed支持的開發(fā)板型號，從而屏蔽掉硬件驅(qū)動部分，在方便的同時卻存在芯片的局限性，也存在無法調(diào)試等問題.目前mbed已經(jīng)逐步支持200多種芯片，但是想讓mbed OS支持其他型號的MCU需要移植.mbed OS作為軟件層面的系統(tǒng)支持，移植則是必要任務.

3.1 mbed代碼目錄

圖1為mbed的代碼層次結(jié)構(gòu)，它包括以下內(nèi)容：

drivers：drivers目錄中存放的是用戶需要調(diào)用的mbed相關的.h頭文件;

events:事件框架;

features：支持的功能，包括BLE、LWIP、TLS等;

hal：mbed OS定義的API函數(shù)，依賴于TARGETS目錄提供的硬件適配支持;

RTOS：mbed實時操作系統(tǒng)文件;

CMSIS：MCU與外設之間的軟件接口標準及啟動鏈接文件;

targets：特定開發(fā)板實現(xiàn)hal需要的接口、連接腳本文件、使用的CMSIS頭文件.

其中drivers、events、features、hal、RTOS為MCU無關層，CMSIS、targets為MCU有關層.

圖1 mbed OS代碼目錄

3.2 mbed OS移植方案

本次移植在編譯環(huán)境Keil uvision 5上進行，通過導出mbed工程源碼，通過更改底層參數(shù)配置、部分代碼、芯片庫文件等方式，通過移植mbed OS到STM32L100R8T6及STM3-2F103RET6中，驗證了移植流程.

3.2.1 導出工程源碼

為了更快速地建立Keil工程，選擇在mbed在線編譯器中導出工程源碼.在mbed compiler中點擊Add Board,界面中展示的是mbed支持的開發(fā)板型號，使用這些開發(fā)板可以直接使用網(wǎng)頁編譯工程，并直接燒錄進mbed中，而其他芯片目前并沒有mbed支持，如需要移植mbed到STM32L100R8T6時選擇NUCLEO-L152RE開發(fā)板，因為該開發(fā)板搭載STM32L152RE，與STM32L100R8T6同屬于L系列，都搭載有Cortex-M3內(nèi)核,是相同內(nèi)核、相似型號的開發(fā)板，同理移植mbed到STM32F103RET6中時，可以選擇NUCLEO-F103RB開發(fā)板，同屬于F系列，都搭載有Cortex-M3內(nèi)核.工程建立后右鍵 Export Program,toolchain 選擇 uvision5，導出后解壓并打開，即可得到一份 mbed OS的Keil uvision 5離線工程文件.

3.2.2 適配芯片型號

由于得到的工程文件是適配其他型號芯片的mbed OS工程，所以需要修改Keil配置以及工程中針對芯片型號的代碼文件.

1)在uvision 5的 Options for Target選項中點擊device,進入芯片型號選擇，將原本的芯片型號改為新的芯片型號.

2)更改頭文件stm32l1xx.h文件,文件可在工程中直接找到，也可在存放的文件夾目錄 targetsTARGET_STM TARGET_STM32L1TARGET_NUCLEO_L152REdevice中找到，(類似地，如STM32F103移植則修改stm32f1xx.h)

原代碼包含以下兩行(不連續(xù))：

#define STM32L152xE

/* #define STM32L100xBA */

第一行為原芯片型號，注釋掉第一行，并取消注釋掉第二行，第二行為移植的目標型號.這一步是更改了代碼中芯片的宏定義.

3.2.3 修改配置文件

1)更改啟動文件和庫頭文件

mbed使用STM32 HAL庫，需從官方重新下載對應頭啟動文件和庫文件，刪除原工程中該部分文件并從新導出.

STM32L152re啟動頭件為startup_stm32l152xe.S(目標目錄targetsTARGET_STMTARGET_STM32L1TARGET_NUCLEO_L152REdeviceTOOLCHAIN_ARM_STD)

庫頭文件為stm32l152xe.h(目標目錄 targetsTARGET_STMTARGET_STM32L1TARGET_NUCLEO_L152REdevice)

例如，使用 stm32l100xb.h 替換掉了 stm32l152xe.h,startup_stm32l100xba.S替換startup_stm32l152xe.S，則該步驟完成.

2)PeripheralNames.h、PeripheralPins.c及PinNames.h引腳文件修改.

因為芯片差異，該部分需要對應芯片編程手冊，更改配置文件，引腳功能定義圖一般在芯片手冊的Table 8.

PeripheralNames.h文件中，對ADC、DAC、UART、SPI、I2C、PWM功能進行了初始化，例:

typedef enum {

UART_1=(int)UART1_BASE,

UART_2=(int)UART2_BASE,

UART_3=(int)UART3_BASE,

UART_4=(int)UART4_BASE,

UART_5=(int)UART5_BASE，

} UARTName;

初始化了5個通用異步串口，而STM32L100R8T6中，只有三個UART串口，所以刪除或注釋掉UART_4和UART_5兩行.

PeripheralPins.c中是對具有ADC、DAC、UART、SPI、I2C、PWM功能的管腳一一對應，進行功能初始化，仍然以UART為例，如圖2所示，同樣注釋掉UART4和UART5兩行.

圖2 PeripheralPins.c部分代碼

同時，需要修改其他行，UART串口號與指定功能管腳一一對應，該文件中其他代碼如SPI、DAC等同理.

PinNames.h中對所有GPIO管腳初始化，對部分功能管腳進出了宏定義，如：

LED1 =PA_5,

I2C_SCL =PB_8,

I2C_SDA =PB_9,

也可按需修改.

3)us_ticker_data.h

us_ticker_data.h中是對CPU定時器的相關配置文件(目標目錄targetsTARGET_STMTARGET_STM32L1TARGET_NUCLEO_L152REdevice.

文件中部分代碼為：

#define TIM_MST TIM5

#define TIM_MST_IRQ TIM5_IRQn

#define TIM_MST_RCC __TIM5_CLK_ENABLE()

#define TIM_MST_DBGMCU_FREEZE __HAL_DBGMCU_FREEZE_TIM5()

由于STM32L100R8T6并不存在TIM5，則修改為可用定時器TIM4，然后修改定時器位數(shù):

#define TIM_MST_BIT_WIDTH 32 // 16 or 32

原芯片中為32位定時器，是原芯片型號L152RE中特有，L100R8T6不存在32位定時器，則TIM4為16位定時器，則改為16；

4)修改mbed_config.h文件

該文件位置主目錄中，在該文件中有包括較多的數(shù)值參數(shù)，例波特率等，按照工程需求對應修改.

編譯程序，如編譯成功，則得到了一份mbed OS在Keil uvision 5上的離線移植程序.

3.2.4 實驗測試

mbed OS提供了比較多功能的API，此時我們將移植板與計算機通過UART串口連接，由于在移植過程中，引腳的幾個文件已經(jīng)對UART等引腳標識并初始化，如果移植成功，則電腦與開發(fā)板間可以正常通訊.

使用以下代碼，使用定時器，通過串口使用計算機屏幕返回一次通訊成功所需要的運行時間.

#include "mbed.h"

Timer t; //定義定時器t

Serial pc(USBTX,USBRX);

int main(){

t.start(); //啟動定時器

pc.printf("The time taken was");//在屏幕上顯示

t.stop();//停止定時器

pc.printf("%f seconds ",t.read());

}

如圖3所示為計算機串口調(diào)試界面結(jié)果，至此表示mbed OS移植成功，并顯示了一次通訊時間為0.017秒.

圖3 串口通訊程序結(jié)果

4 低功耗模式設計

mbed OS通過void sleep()調(diào)用睡眠功能，它選擇最合適的睡眠模式，mbed OS有兩種可用的睡眠模式:1)睡眠模式，核心的系統(tǒng)時鐘停止，直到發(fā)生復位或中斷.這消除了處理器，存儲器系統(tǒng)和總線使用的動態(tài)功率.此模式保持處理器，外設和存儲器狀態(tài)，外設繼續(xù)工作并可產(chǎn)生中斷，可以通過任何內(nèi)部外設中斷或外部引腳中斷喚醒處理器.這時所有線程都處于等待狀態(tài).2)深度睡眠模式，此模式類似于睡眠但節(jié)省更多功率并具有更長的喚醒時間，它通過關閉高速時鐘節(jié)省了額外的電力.因此，只有在不使用高速時鐘的外設時才能進入該模式.在大多數(shù)情況下，只要系統(tǒng)空閑，mbed OS就會自動進入合適的睡眠模式.

4.1 低功耗模式優(yōu)化

為實現(xiàn)最大限度的功耗優(yōu)化，提出了可行性方案：

1)覆蓋空閑循環(huán)任務：空閑循環(huán)是后臺系統(tǒng)線程，當沒有其他線程準備好運行時，調(diào)度程序執(zhí)行.當應用程序等待事件發(fā)生時，會在后臺執(zhí)行空閑循環(huán)任務.空閑循環(huán)任務為最低優(yōu)先級進程，一旦有更高優(yōu)先級進程進入就緒態(tài)時，空閑任務會立即切換至新任務，空閑任務處理時，會調(diào)用處理器入睡眠模式，是一種自動低功耗方法，所以可以通過定制空閑任務功能，系統(tǒng)會在每次空閑時低能耗執(zhí)行該任務，是可行的省電方案.

2)創(chuàng)建異步回調(diào)任務：許多mbed庫依賴于某種I/O事務.無論是切換引腳，I2C，SPI還是串行傳輸，甚至是其他東西，他們都有一個共同點：它們往往需要執(zhí)行時間.由于總線速度通常遠低于核心運行的頻率，因此這些庫往往會引入大量類似的等待代碼.由于這只是在沒有做任何有用的情況下燃燒CPU周期，設置一個異步的回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)傳輸，在程序流中調(diào)用，將他們發(fā)給外設執(zhí)行，并在傳輸完成時獲得回調(diào)狀態(tài)，以來解放CPU，在回調(diào)執(zhí)行期間可以做更多的其他操作或是讓CPU進入睡眠狀態(tài)以節(jié)省大量功耗.

event_callback_t functionpointer;//回調(diào)函數(shù)

void handler(int events){

//在此處理事件,events參數(shù)表示事件標志

}

void init_fp(){

//設置functionpointer對象以指向此對象上的′handler′方法

functionpointer.attach(handler);

}

3)利用超時和斷續(xù)中斷：超時表示在外部事件發(fā)生后按計劃時間以后觸發(fā)中斷，使用timeout函數(shù)實現(xiàn)，觸發(fā)一個延遲事件是一種常見的需求；斷續(xù)表示建立一個循環(huán)中斷，周期性調(diào)用ticker斷續(xù)函數(shù)，例如讓LED每隔幾秒閃爍一次，在嵌入式系統(tǒng)中創(chuàng)建一個周期性的事件也是最自然和常見的需求.然而上述兩種需求如果使用延遲函數(shù)wait()去實現(xiàn)，比如在循環(huán)中使用wait()創(chuàng)建時間周期達到周期性觸發(fā)事件的效果，該方法占用CPU，使CPU無法完成其他的任務，而使用超時和斷續(xù)，釋放CPU去做任何需要的事情，而測量變化時間的任務交給定時器硬件在后臺完成，從而在計劃時間觸發(fā)中斷，調(diào)用某一任務，而調(diào)用的頻率由程序決定，不限制所創(chuàng)建的裝置的數(shù)量.

在程序流中使用超時代替延遲函數(shù)是一種功耗的優(yōu)化，它避免了CPU在等待延遲函數(shù)wait()到期時的阻塞狀態(tài)，還有一種低功耗超時方法，LowPowerTimer繼承自Timer類.在這種情況下，計時器即使在深度睡眠模式下也繼續(xù)運行.它依賴于lp_ticker，這是低功率的計時器，測量精度在毫秒左右,在某些精度要求低的情況下可以使用它創(chuàng)建超時.同時超時也可以以回調(diào)的方式運行，我們通過創(chuàng)建超時任務，并設計一個回調(diào)函數(shù)標記超時進行狀態(tài)，并開始睡眠直到超時結(jié)束，采用異步的方式，將睡眠程序包裝在超時狀態(tài)的while循環(huán)中，超時結(jié)束后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的程序，這種方式避免的以同步方式觸發(fā)睡眠的安全性問題，同時優(yōu)化了功耗.例當我們希望停止程序流半秒時，使用低功耗計時器創(chuàng)建一個超時任務.

LowPowerTimeout Response;

bool flag=false; //回調(diào)狀態(tài)

void callback(void){

flag=true;

}

void main(void){

Response.attach(callback，0.5f);

//確保我們只在超時到期后繼續(xù)執(zhí)行程序流程.

while(！flag)sleep();

.... //后續(xù)程序流程

}

4.2 看門狗實現(xiàn)

看門狗程序作為嵌入式設備的常用手段，保證設備的正常運行，看門狗定時器作為獨立的定時器，需要不斷的重啟計時，俗稱喂狗，如果沒有及時喂狗，則定時器溢出，看門狗程序判定為系統(tǒng)崩潰，會復位重啟系統(tǒng)[11].mbed OS中沒有實現(xiàn)看門狗功能，本文實現(xiàn)了在mbed OS中啟動看門狗任務，并同時提出了其在低功耗睡眠模式下的運行方法.

本文導入HAL庫的IWDG函數(shù)實現(xiàn)看門狗程序編寫并在mbed OS中啟動，已知的看門狗喚醒時間公式為：溢出時間=預分頻系數(shù)*重裝載值/40，單位為ms，HAL庫中IWDG_PRESCALER_表示預分頻系數(shù)，如預分頻系數(shù)采用64，重裝載值采用625，則可按公式計算出1000ms即1s的溢出時間，那么需要在溢出時間內(nèi)1s內(nèi)實行喂狗，否則系統(tǒng)會復位重啟.參考設置例程如下：

voidwatchdog(void){

hiwdg.Instance=IWDG;

hiwdg.Init.Prescaler=IWDG_PRESCALER_64

hiwdg.Init.Reload=625;

HAL_IWDG_Init(&hiwdg);

}

在喂狗時調(diào)用HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg)函數(shù)實現(xiàn)喂狗，如在mbed中設置好watchdog函數(shù)后實現(xiàn)LED閃爍的喂狗程序如下：

while(true){

led1=！led1;

HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg)；

wait(0.5);

}

LED燈與喂狗程序同處于延遲0.5s的循環(huán)中，每0.5s LED閃爍一次并實行一次喂狗操作，如果系統(tǒng)未正常運行，那么看門狗溢出，系統(tǒng)復位.

看門狗是為了檢測和解決由軟件錯誤引起的故障，然而在低功耗模式下CPU休眠，無法進行正常的喂狗程序，而看門狗定時器作為獨立的振蕩器存在，開啟后無法被關閉，在sleep模式下如果不進行喂狗操作，則整個系統(tǒng)會頻發(fā)復位.針對該情況，本文提出了采用超時喚醒的方式實行喂狗操作，設置一個超時中斷作為鬧鐘，設置一個標識標記中斷的觸發(fā)狀態(tài)，在中斷函數(shù)中實行喂狗操作和中斷觸發(fā)狀態(tài)標記，如設置一個5秒鐘的超時中斷，當超時到期時，喚醒CPU，并標記中斷觸發(fā)，判定中斷標識后執(zhí)行喂狗操作并再次進入sleep()模式，如果CPU未成功喚醒，看門狗溢出，或CPU由其他未知錯誤導致喚醒，由于中斷觸發(fā)狀態(tài)標識未更新，不會進行喂狗操作，同樣導致看門狗溢出.其具體流程如圖4所示.

圖4 低功耗看門狗流程圖

4.3 低功耗性能測試

1)硬件環(huán)境：本實驗基于實驗室自主研發(fā)開發(fā)板，帶有M3內(nèi)核的STM32L100RB芯片.

存儲記錄儀，用于測量板件程序運行時電壓變化情況，根據(jù)終端的電阻大小，通過公式I=U/R，得到運行電流.

2)實驗方案：通過對將mbed OS移植適配到該板件后編寫簡單的LED燈閃爍程序，測量在正常運行狀態(tài)下功耗情況，然后通過創(chuàng)建空閑循環(huán)任務實現(xiàn)LED閃爍的低功耗方案，使系統(tǒng)切換到低功耗模式下，觀測并記錄低功耗下功耗變化.選用μC/OS-II系統(tǒng)做功耗對比，μC/OS-II是知名的開源實時操作系統(tǒng)，它代碼結(jié)構(gòu)清晰明了，可裁剪，系統(tǒng)短小精悍，是研究與學習實時操作系統(tǒng)的首選[12].同樣的，將功耗與無操作系統(tǒng)情況下和移植μC/OS-II操作系統(tǒng)做對比，同樣測量正常運行和低功耗情況下功耗情況，對比實驗結(jié)果.

圖5 電壓變化圖

如圖5為存儲記錄儀中顯示mbed的電壓變化情況，總的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示.

表1 功耗測試實驗數(shù)據(jù)表

Table 1 Power test experimental data sheet

操作系統(tǒng)模式平均電壓電阻平均電流-正常25mV10Ω2.5mA-低功耗6mV10Ω0.6mAμC/OS-II正常70mV10Ω7mAμC/OS-II低功耗20mV10Ω2mAmbed正常40mV10Ω4mAmbed低功耗12mV10Ω1.2mA

如上所示，可以得出結(jié)論，在無操作系統(tǒng)的情況下，裸板在運行和低功耗模式下功耗是最低的，嵌入式操作系統(tǒng)因為其更多功能的支持，功耗有所增加.但在在低功耗和正常運行情況下，mbed功耗仍相當可觀，相較于μC/OS-II操作系統(tǒng)，功耗均接近于其的二分之一.

5 結(jié)束語

本文基于mbed OS，根據(jù)其在物聯(lián)網(wǎng)中的參考架構(gòu)，對其中的關鍵技術(shù)進行探討，基于本文提出的移植方案可以突破mbed OS芯片局限，使其支持更多的MCU設備，基于本文設計的低功耗終端、傳感器設備等可用于實際物聯(lián)網(wǎng)場景.實踐表明mbed確實代碼簡約、功能強大，極大程度地降低了開發(fā)難度和成本，在能耗上也完全符合物聯(lián)網(wǎng)低功耗的需求，具有實用價值.