一種實(shí)時(shí)操作系統RTOS的硬件加速設計

　　摘 要： RTOS是嵌入式系統中重要的組成部分，但其本身的運行使整個(gè)系統的性能下降。針對RTOS的任務(wù)調度和時(shí)間延時(shí)處理部分進(jìn)行分析，并加以硬件實(shí)現。在運行63個(gè)任務(wù)時(shí)，采用硬件加速模塊，任務(wù)響應時(shí)間為2 180個(gè)時(shí)鐘周期。相比沒(méi)有硬件支持的系統，任務(wù)響應時(shí)間可降低85.8%，提高了系統的可預測性。

　　隨著(zhù)科技的進(jìn)步，嵌入式系統的功能逐漸由簡(jiǎn)單向復雜發(fā)展，開(kāi)發(fā)難度也隨之提高。嵌入式操作系統的使用，屏蔽了部分硬件信息，提供給開(kāi)發(fā)者統一的平臺，降低了開(kāi)發(fā)難度，提高了代碼的重復利用率。在一些特殊的領(lǐng)域(醫療、汽車(chē)、航空航天)，對嵌入式系統的實(shí)時(shí)性要求非常高。在這些場(chǎng)合，任務(wù)必須在給定的時(shí)間內響應并正確完成。而實(shí)時(shí)操作系統RTOS(Real Time Operation System)本身的運行，必然會(huì )引起性能的下降，在任務(wù)數量增加時(shí)，這種下降更加明顯。例如，使用?滋C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統在PowerPC處理器上運行，在TimeTick(時(shí)鐘節拍)周期為10 ?滋s、運行64個(gè)任務(wù)的情況下，TimeTick中斷函數占用的CPU時(shí)間已達到42%[1]。

　　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。