μC/OS-II的實(shí)時(shí)系統加速模塊設計
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目前,RTOS軟件層面的研究已經(jīng)很成熟,可有效提高RTOS性能的方法有以下幾種：
(1)提高處理器的運行頻率[2]。這對功耗相當敏感的嵌入式系統并不是好方法。同時(shí)高頻時(shí)鐘所引起的電磁干擾對電路板布線(xiàn)的要求也更高；
(2)設計專(zhuān)用于RTOS系統服務(wù)的硬件。硬件對相同的操作可并行處理。如果設計一種硬件，在任務(wù)數量或TimeTick頻率增加的情況下，系統也能在固定的時(shí)鐘周期內完成所有任務(wù)域的更新，從而降低RTOS運行所占的CPU時(shí)間。
本文設計了實(shí)時(shí)系統加速RTA(Real-Time Acceleration)模塊，對任務(wù)調度和系統時(shí)間管理進(jìn)行硬件化，降低了任務(wù)中斷時(shí)間，并對最終的測量數據進(jìn)行對比，得出結論。
1 RTA的硬件設計
本文的硬件平臺使用OR1200[3] CPU,它是一款由OpenCores網(wǎng)站維護的開(kāi)放源代碼CPU,內部結構可見(jiàn)可修改,且沒(méi)有版權問(wèn)題。RTA模塊作為從設備連接到Wishbone總線(xiàn)[4]上。在RTA模塊中，由硬件實(shí)現任務(wù)管理和時(shí)間管理。RTA中的寄存器全部映射到內存空間上，軟件通過(guò)對寄存器的訪(fǎng)問(wèn)來(lái)控制RTA模塊的運行。
該專(zhuān)用硬件可分成如下兩部分：
(1)任務(wù)管理和時(shí)間管理部分。RTA模塊支持64個(gè)任務(wù)，使用基于優(yōu)先級的調度策略，每個(gè)任務(wù)有唯一的優(yōu)先級。RTA只在需要任務(wù)切換時(shí)才中斷CPU。時(shí)間延時(shí)的最小單位是TimeTick(時(shí)鐘節拍)，最長(cháng)時(shí)間延時(shí)可達65 535個(gè)TimeTick；
(2)用于產(chǎn)生TimeTick信號的Timer(計時(shí)器)。RTA必須有獨立的Timer為其產(chǎn)生TimeTick信號。在本文中，利用OR1200自帶的Timer完成此工作。
本文使用的系統是在μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統基礎上改進(jìn)實(shí)現的。該RTOS由Micrium網(wǎng)站維護，已經(jīng)應用于商業(yè)產(chǎn)品[5]。整個(gè)軟硬件的實(shí)現在FPGA開(kāi)發(fā)板DE2-70上完成，系統時(shí)鐘頻率為25 MHz。
1.1 任務(wù)管理和時(shí)間管理
任務(wù)管理和時(shí)間管理的設計框圖如圖1所示。
每個(gè)任務(wù)都有4個(gè)域：TaskValid、OSTCBStat、OSTCBDly和OSTCBStatPend。每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)任務(wù)就緒標志TaskReady，RTA通過(guò)PrioBitmapToBinary模塊找到最高的優(yōu)先級并送給HighestPrio。在CPU響應外部中斷或者給調度器上鎖時(shí),可以通過(guò)OSIntNesting和OSLockNesting寄存器關(guān)閉RTA的中斷。
μC/OS-II實(shí)時(shí)系統內核中,任務(wù)調度基于TimeTick完成，由于程序只能順序執行,任務(wù)的timedly域更新也是順序執行的，從而使得調度函數的執行時(shí)間與運行的任務(wù)數量有關(guān)。在RTA模塊中，基于TimeTick的調度機制并沒(méi)有改變，只是原型中順序執行的timedly更新，在硬件中可以同時(shí)執行。在使用RTA模塊的系統中，移去了軟件中的用于任務(wù)調度的數據結構，相應地在硬件中予以實(shí)現。
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