實(shí)時(shí)操作系統軟件調度器/硬件調度器的設計與實(shí)現
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實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)，在整個(gè)嵌入式系統中扮演著(zhù)十分重要的角色，它就像人的大腦支配人的行為一樣，控制著(zhù)整個(gè)系統的工作與運轉，一個(gè)RTOS性能的優(yōu)劣將對整個(gè)系統的性能產(chǎn)生直接的影響。衡量一個(gè)RTOS的好壞有多種標準，實(shí)時(shí)性則為一個(gè)關(guān)鍵指標，并且隨著(zhù)實(shí)時(shí)操作系統實(shí)際運用的加深及拓廣，對RTOS提出了更加嚴格的要求。在系統限定時(shí)間內響應處理外部事件已經(jīng)成為了對RTOS的一個(gè)基本要求。
任務(wù)調度，是RTOS的核心所在，任務(wù)間的通信、外部事件的處理以及中斷處理等都離不開(kāi)任務(wù)調度的參與。而且隨著(zhù)系統功能的完善與增強，任務(wù)間的關(guān)系變得更加復雜，需要與更多的外圍設備打交道，這就需要任務(wù)調度不斷地參與其中，從而導致系統性能的急劇下降、對事件實(shí)時(shí)響應能力的降低。任務(wù)調度則成為了RTOS性能的瓶頸，提高RTOS的整體性能則首先應當從提高任務(wù)調度的性能著(zhù)手。將任務(wù)調度硬件化，無(wú)疑可以提升任務(wù)調度的性能，從而提高整個(gè)RTOS的性能。本文討論了三種任務(wù)調度的實(shí)現方法，分別為：軟件調度器模型、協(xié)處理器調度模型、硬件調度器模型，并在文章最后對其性能進(jìn)行了測試。測試結果表明，硬件調度器模型具有良好的性能，相對協(xié)處理器方式需要更少的硬件實(shí)現邏輯單元。
系統功能的增強，使得任務(wù)間的調度以及任務(wù)之間的通信變得更加復雜，必將導致系統性能急劇降低。而且，隨著(zhù)系統不斷完善，在實(shí)時(shí)嵌入式系統中，計算結果的正確性已經(jīng)不再是整個(gè)系統追求的目標，而實(shí)時(shí)性則成為整個(gè)系統面對的首要難題。如果將RTOS的調度功能由原來(lái)的純軟件實(shí)現轉變?yōu)橛布?shí)現，將極大的提高實(shí)時(shí)系統的實(shí)時(shí)性以及處理能力。
設計與實(shí)現
邏輯時(shí)序關(guān)系
圖1是操作系統以及應用程序都由單CPU運行的邏輯時(shí)序圖。由時(shí)序圖可以看出，在單CPU運行RTOS以及應用程序條件下，CPU不斷地在RTOS內核以及應用程序之間切換。即使在沒(méi)有外部中斷的情況下，CPU的運行都將在確定的時(shí)刻執行任務(wù)調度程序(由系統時(shí)鐘觸發(fā))，例如t2、t4、t6等時(shí)刻。每次的任務(wù)調度都至少執行以下四步操作：（1）當前任務(wù)上下文內容的保存；（2） 操作系統內核態(tài)的恢復；（3） 操作系統內核態(tài)信息保存；（4）新任務(wù)上下文內容恢復。即便調度前后，例如t1與t3時(shí)刻，CPU執行相同的任務(wù)，也同樣要執行上述的四步操作。很明顯，這樣的操作浪費了大量的CPU處理時(shí)間，執行了大量的無(wú)謂的內容保存工作。
Ti為第i個(gè)任務(wù)運行時(shí)間； CS+OS為任務(wù)上下文轉換時(shí)間以及RTOS所占用時(shí)間；INT中斷服務(wù)程序時(shí)間；C ST 為當前任務(wù)上下文內容保存時(shí)間； CR RTOS 為操作系統上下文恢復時(shí)間；RTOS為操作系統運行內核程序以及調度時(shí)間； CS RTOS 操作系統上下文保存時(shí)間； CR T 調度后新任務(wù)上下文恢復時(shí)間。
圖2為協(xié)處理器運行調度程序，而應用程序由主CPU運行，這樣調度程序和應用程序在時(shí)間上為并行執行。當主CPU需要進(jìn)行任務(wù)調度時(shí)，將會(huì )引發(fā)中斷，通知協(xié)處理器。在完成中斷處理以及任務(wù)上下文保存與恢復之后，主CPU 繼續執行新的任務(wù)，這樣去除了RTOS進(jìn)出內核態(tài)的上下文保存時(shí)間，無(wú)疑可以提升RTOS的整體性能。
設計實(shí)現
在上文中，已經(jīng)提到，將RTOS的調度以三種方式進(jìn)行實(shí)現，分別為純軟件實(shí)現、協(xié)處理器實(shí)現以及純硬件實(shí)現。
為了實(shí)現這三種調度方法，采用了Xilinx公司的Virtex-II Pro系列的 XC2VP30 芯片，軟件平臺為EDK（embeded development kit）功能以及時(shí)序仿真采用Modelsim軟件。CPU采用EDK提供的MicroBlaze處理器模型，并集成64K的SRAM以及1M的FLASH建立一個(gè)最小的核心系統，作為該調度算法的核心硬件平臺。MicroBlaze為32位的哈佛結構的處理器，采用RISC指令集，為便于計算，設置其工作頻率為50MHz。
1.軟件調度模型實(shí)現
軟件調度模型系統由以下幾部分組成：1）MicroBlaze處理器；2）RAM存儲區；3）片上總線(xiàn)；4）中斷以及時(shí)間控制模塊；5）監控模塊；6）UART接口。MicroBlaze處理器用于運行RTOS以及應用程序。應用程序的執行具有周期性的特點(diǎn)，而外部的中斷則將打斷這種周期性具有突發(fā)性的特點(diǎn)。MicroBlaze需實(shí)時(shí)處理兩種不同類(lèi)型的事件，這與實(shí)際應用情況相符合。監控模塊是在EDK中一個(gè)特定模型的實(shí)現，用于監控外部單元與主CPU的通信過(guò)程（以中斷方式或者輪詢(xún)方式）。監控模塊具有兩個(gè)特定功能，獲取當前系統時(shí)間以及向CPU發(fā)送中斷信號。最后，將實(shí)測的調度時(shí)間數據通過(guò)UART接口發(fā)送至上位機，進(jìn)行分析處理，以驗證模型的性能。
2.協(xié)處理器調度模型實(shí)現
協(xié)處理器調度模型在軟件調度模型基礎上增加協(xié)處理器模塊。該模型中，將RTOS的任務(wù)調度模塊從主CPU中分離出來(lái)，并將該部分代碼完全運行于協(xié)處理器中。協(xié)處理器需要完成任務(wù)狀態(tài)以及任務(wù)堆棧管理，并通過(guò)DMA方式與主內存之間通信，實(shí)現同主CPU中任務(wù)各種狀態(tài)以及信息的同步。
在協(xié)處理器調度模式下，當系統時(shí)鐘產(chǎn)生中斷時(shí)，不需要進(jìn)行任務(wù)調度的工作，只有當主CPU需要進(jìn)行任務(wù)調度時(shí)，通知協(xié)處理器等待掛起的任務(wù)號以及其上下文內容，協(xié)處理器將該任務(wù)完整保存之后，將處于最高優(yōu)先級的就緒態(tài)任務(wù)及其上下文內容送入主CPU，完成任務(wù)調度。
由協(xié)處理器模式下調度的整個(gè)流程可以看出，任務(wù)的調度完全由主CPU發(fā)起，任務(wù)的調度只是發(fā)生在需要調度的時(shí)刻，同時(shí)由于協(xié)處理器參與了調度的工作，主CPU不需要進(jìn)入內核態(tài)來(lái)實(shí)現任務(wù)調度，這極大的提高了主CPU的有效工作效率。
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