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基于FPGA的μC/OS-II任務(wù)管理硬件設(shè)計

作者: 時間:2012-02-17 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

實時操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operating System)由于具有調(diào)度的實時性、響應(yīng)時間的可確定性、系統(tǒng)高度的可靠性等特點,被越來越多地應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中,如:航空航天、工業(yè)控制、汽車電子和核電站建設(shè)等眾多領(lǐng)域。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/149646.htm

傳統(tǒng)上,RTOS內(nèi)核是加在應(yīng)用程序中的軟件,它不僅增加了ROM(代碼空間)和RAM(數(shù)據(jù)空間)的開銷,而且增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷,即使在較好的應(yīng)用系統(tǒng)中內(nèi)核仍占用2%~5%的CPU負(fù)荷[1]。在實時性較強的場合,若無法得到及時的響應(yīng),將會引起嚴(yán)重后果。因此,降低RTOS內(nèi)核的系統(tǒng)開銷及提高其實時性非常重要。

對于降低RTOS占用應(yīng)用程序處理器開銷的研究,大多數(shù)集中在改進調(diào)度算法[2]和提高處理器的處理能力[3],但是依靠改進調(diào)度算法已不能使其實時性有更大的提高,通過提高處理器速度也達不到理想的效果。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展及芯片造價的降低,“軟件化”的趨勢正在成為一個研究的新熱點。采用芯片實現(xiàn)RTOS的功能模塊極大地發(fā)揮了系統(tǒng)處理的并行特性,使硬件RTOS的處理速度達到了傳統(tǒng)軟件RTOS的6~50倍[4]。然而,RTOS的硬件化非常復(fù)雜、繁瑣,大多由軟件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不適合硬件的并行實現(xiàn),需要重新修改、

本文就具體的實時操作系統(tǒng)μ進行了硬件,實現(xiàn)了模塊系統(tǒng)調(diào)用的硬件電路和組合電路的硬件調(diào)度器。

1 硬件RTOS總體設(shè)計

硬件RTOS由軟件和硬件兩部分組成,如圖1所示。軟件部分負(fù)責(zé)應(yīng)用程序與硬件RTOS的交互,主要實現(xiàn)2點功能:向應(yīng)用程序提供訪問硬件函數(shù)的接口;向硬件邏輯提供返回處理結(jié)果的中斷處理函數(shù)和任務(wù)切換的中斷處理函數(shù)。硬件部分將以往由底層軟件函數(shù)完成的工作,采用硬件函數(shù)完成。

硬件RTOS仍然是以系統(tǒng)調(diào)用的形式為應(yīng)用程序服務(wù),所不同的是由調(diào)用硬件函數(shù)替代了以往的軟件函數(shù)。軟件函數(shù)和硬件函數(shù)的區(qū)別[5]在于:它們被處理時所在的器件不同,軟件函數(shù)編譯成一條條指令在處理器上執(zhí)行,硬件函數(shù)把參數(shù)通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送到了指定硬件單元電路的寄存器中,再由硬件邏輯電路進行相應(yīng)的處理。硬件電路與處理器可以并行工作,節(jié)省的處理器時間用于執(zhí)行別的任務(wù),提高了系統(tǒng)的可調(diào)度性。

圖1中,硬件部分由輸入輸出寄存器、中斷控制器、控制器和RTOS主要功能模塊等組成。

  (1)輸入輸出寄存器。輸入寄存器接收由接口函數(shù)傳遞的功能代碼和參數(shù),輸出寄存器將執(zhí)行結(jié)果返回給接口函數(shù)。

  (2)中斷控制器。接收外部事件中斷,中斷控制器使用的I/O(輸入/輸出)管腳,每個管腳對應(yīng)一個外部中斷,一個或者多個外部中斷對應(yīng)一個中斷處理任務(wù)[6]。當(dāng)外部中斷到來時,相應(yīng)的事件標(biāo)志位被置位,中斷任務(wù)被置為就緒態(tài)。

  (3)控制器。從事件控制塊和信號量控制塊獲知任務(wù)的狀態(tài),結(jié)合系統(tǒng)調(diào)用的功能代碼和參數(shù)信息,確定將要執(zhí)行的操作并發(fā)出控制信號。每個硬件單元都通過CPU發(fā)出的控制信號進行工作。

RTOS主要功能模塊包括:事件標(biāo)志組、信號量管理、任務(wù)管理及時鐘管理。

  (1)事件標(biāo)志組管理。事件標(biāo)志組是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),采用的片內(nèi)寄存器實現(xiàn),每個事件占1 bit。任務(wù)或中斷服務(wù)可以將某一位置位或復(fù)位。當(dāng)任務(wù)所需要的事件發(fā)生時,則將相應(yīng)的事件位置位;當(dāng)任務(wù)所等待的事件都發(fā)生時,則應(yīng)向控制器提出改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài)的相應(yīng)申請,同時將任務(wù)的ID號送給任務(wù)管理模塊。

  (2)信號量管理。信號量由2部分組成:16 bit的無符號整型的計數(shù)值(0~65535);等待該信號量的任務(wù)組成的等待任務(wù)表。采用可預(yù)置的雙向計數(shù)器(up/down)實現(xiàn)計數(shù)值部分,采用片內(nèi)的寄存器實現(xiàn)該信號量的等待任務(wù)表。寄存器的位數(shù)對應(yīng)系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù),每個任務(wù)占1 bit,且初始值為0(表示沒有任務(wù)等待該信號量)。等待該信號量的任務(wù)將寄存器的相應(yīng)位置1,釋放該信號量的任務(wù)喚醒優(yōu)先級較高的等待任務(wù),將寄存器的相應(yīng)位置0。每發(fā)生一次置位或復(fù)位操作,也必須向控制器提出改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài)的相應(yīng)申請,同時將相應(yīng)任務(wù)的ID號送給任務(wù)管理模塊。

  (3)任務(wù)管理。負(fù)責(zé)各種任務(wù)狀態(tài)的切換和任務(wù)調(diào)度。任務(wù)管理模塊接收從輸入寄存器、事件標(biāo)志組管理模塊或信號量管理模塊傳遞來的任務(wù)ID號,在控制器的相應(yīng)控制信號作用下,執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)的切換。調(diào)度器以任務(wù)的狀態(tài)為敏感信號,當(dāng)任務(wù)的狀態(tài)發(fā)生改變時,觸發(fā)調(diào)度器執(zhí)行一次任務(wù)調(diào)度,找出當(dāng)前優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)。若其優(yōu)先級高于當(dāng)前正在運行的任務(wù)的優(yōu)先級,則向CPU發(fā)出硬件中斷處理信號。

  (4)定時器管理。主要實現(xiàn)任務(wù)的延時,當(dāng)設(shè)置的延時時間到且任務(wù)沒有等待別的資源時,將任務(wù)的狀態(tài)置為就緒。

由圖1可知,硬件RTOS的工作過程如下:

  (1)在應(yīng)用程序中調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)。

  (2)系統(tǒng)調(diào)用的接口函數(shù)將功能代碼和參數(shù)傳給硬件部分的輸入寄存器。

  (3)硬件部分執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用。

  (4)在硬件邏輯執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的過程中,可以接收外部事件的異步請求,因此,硬件部分執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用過程中可能轉(zhuǎn)向以下不同的處理過程:

  ①若外部事件請求使中斷任務(wù)就緒,則向處理器發(fā)出要求任務(wù)切換的硬件中斷請求。

  ②若系統(tǒng)調(diào)用使高優(yōu)先級的任務(wù)就緒,則硬件部分向處理器發(fā)出要求任務(wù)切換的硬件中斷請求。

 ?、塾布糠滞瓿上到y(tǒng)調(diào)用功能,則采用中斷形式通知處理器并回送處理結(jié)果。

  (5)中斷處理函數(shù)完成任務(wù)切換。

  (6)處理器執(zhí)行新任務(wù)。

2 μ任務(wù)管理硬件設(shè)計

任務(wù)管理是RTOS的核心,本文首先對μ任務(wù)管理模塊進行了硬件設(shè)計,其他的模塊可以依托任務(wù)管理展開。μC/OS-II任務(wù)管理主要包括建立任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、恢復(fù)任務(wù)、查詢?nèi)蝿?wù)和任務(wù)調(diào)度等。其中建立任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、恢復(fù)任務(wù)和查詢?nèi)蝿?wù)是通過系統(tǒng)調(diào)用形式交給用戶調(diào)用的;而任務(wù)調(diào)度是交給系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用的,用戶不能直接調(diào)用它。因此,本文將任務(wù)管理分成系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的硬件實現(xiàn)和任務(wù)調(diào)度器硬件實現(xiàn)2部分。

2.1 任務(wù)管理系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的硬件設(shè)計

μC/OS-II的任務(wù)由3部分組成:即任務(wù)程序代碼、任務(wù)堆棧、任務(wù)控制塊TCB(Task Control Block)。TCB把任務(wù)代碼和任務(wù)堆棧進行關(guān)聯(lián)而使三者成為一個整體。

任務(wù)管理系統(tǒng)調(diào)用的硬件實現(xiàn)電路如圖2所示。參數(shù)1是建立任務(wù)時,寫入TCB的任務(wù)代碼段地址、任務(wù)優(yōu)先級、任務(wù)的參數(shù)指針和分配給任務(wù)的堆棧棧頂指針等任務(wù)運行和管理的信息;參數(shù)2是分配給任務(wù)的ID號。每個任務(wù)依據(jù)任務(wù)的ID號對應(yīng)一個TCB。

在圖2中,任務(wù)管理系統(tǒng)調(diào)用的硬件實現(xiàn)電路主要由分配器、選擇器和TCB寄存器組成。

  (1)分配器。建立任務(wù)和刪除任務(wù)時,分配器根據(jù)任務(wù)的ID號選擇建立任務(wù)的信息送到對應(yīng)的輸出通道上,分配器的輸出端與多路選擇器的一路輸入端直連,即參數(shù)1被送到了選擇器的輸入端,作為一路輸入。掛起任務(wù)和恢復(fù)任務(wù)時,分配器根據(jù)任務(wù)的ID號,將任務(wù)的狀態(tài)送到對應(yīng)TCB的狀態(tài)寄存器中。

  (2)選擇器。選擇器的輸入端分別是建立任務(wù)時要送給 TCB的數(shù)據(jù)(參數(shù)1)和刪除任務(wù)時要送給TCB的數(shù)據(jù)(系統(tǒng)初始值),數(shù)據(jù)輸出端與一個TCB塊直連。建立信號有效時,選擇參數(shù)1寫入TCB,建立任務(wù)完成;否則,寫入系統(tǒng)的初始值覆蓋TCB信息,即任務(wù)被刪除。掛起和恢復(fù)任務(wù)只需根據(jù)任務(wù)的ID號找到相應(yīng)的TCB并修改其狀態(tài)寄存器的值。二值選擇器的輸入端是0和1,可以分別表示任務(wù)的等待和就緒狀態(tài)。

  (3)TCB寄存器。在軟件實現(xiàn)的RTOS中,空閑TCB塊和已占用的TCB塊分別以空閑任務(wù)鏈表和任務(wù)鏈表的形式常駐內(nèi)存。但是鏈表的軟件算法并不適合直接采用硬件高效實現(xiàn),因為只有讀取鏈表的前一個表項的內(nèi)容后,才能獲得后續(xù)表項的地址,限制了硬件并行的開發(fā)。因此,本文將TCB的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)全部采用片內(nèi)的寄存器資源實現(xiàn),從而節(jié)省了鏈表的查找時間,提高了系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行效率。

2.2 任務(wù)調(diào)度器的硬件設(shè)計

μC/OS-II進行任務(wù)調(diào)度的思想是,每時每刻總是讓優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)處于運行狀態(tài)。為了實現(xiàn)高效的調(diào)度算法,采用組合電路實現(xiàn)硬件調(diào)度器,如圖3所示。以優(yōu)先級為選擇條件,將TCB中的狀態(tài)寄存器直接與調(diào)度器相連接。這樣,只要任務(wù)的優(yōu)先級或任務(wù)的狀態(tài)有一個發(fā)生改變,就會立刻引發(fā)一次任務(wù)的的重新調(diào)度。

圖3中,數(shù)據(jù)分配器與TCB寄存器中的狀態(tài)寄存器RDY輸出端直連,使用優(yōu)先級PRI作為選擇條件,將RDY的就緒態(tài)(RDY=‘1’)分配到不同的輸出通道上。寄存器REG_X接收數(shù)據(jù)分配器輸出通道的輸出值并按位存儲。將所有的REG_X寄存器按位進行或運算,結(jié)果送寄存器PRI_REG。如圖4所示,優(yōu)先級寄存器PRI_REG的位數(shù)對應(yīng)系統(tǒng)中任務(wù)的個數(shù),寄存器PRI_REG某位為1就表示相應(yīng)優(yōu)先級的任務(wù)處于就緒態(tài),且低位的優(yōu)先級依次高于高位的優(yōu)先級。譯碼器從寄存器讀取PRI_REG的值進行譯碼,送出處于就緒態(tài)且優(yōu)先級最高的任務(wù)。比較器PRI_COMP以任務(wù)的ID號為索引,任務(wù)的優(yōu)先級PRI為比較內(nèi)容。將每個任務(wù)的優(yōu)先級與譯碼找到的就緒態(tài)的最高優(yōu)先級相比較,若相同,則輸出任務(wù)的ID號,否則輸出0。最后將所有比較器PRI_COMP的輸出做或運算,即得到處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高任務(wù)的ID號。

假設(shè)在某一時刻,系統(tǒng)中優(yōu)先級PRI為1、2、3、6和7的任務(wù)處于就緒態(tài),對應(yīng)任務(wù)的ID號分別是010、100、001、110和111,則調(diào)度器中的數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

2.3 仿真及實驗結(jié)果

整個設(shè)計采用VHDL硬件語言描述。為了驗證該硬件實現(xiàn)的正確性和高效性,使用 ISE 8.2軟件進行時序仿真驗證。任務(wù)管理硬件實現(xiàn)的功能仿真如圖6所示。

(1)建立任務(wù)。依次建立3個任務(wù),優(yōu)先級與ID號相同分別為7、1和6。若系統(tǒng)中只有優(yōu)先級為7的任務(wù)處于就緒態(tài),則Next_task_id為7;當(dāng)建立了優(yōu)先級為1的任務(wù)時,高優(yōu)先級任務(wù)剝奪低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權(quán),Next_task_id為1,直到有更高優(yōu)先級的任務(wù)到來,或任務(wù)自身刪除,優(yōu)先級為1的任務(wù)將一直執(zhí)行。

(2)查詢?nèi)蝿?wù)。處理器通過查詢?nèi)蝿?wù)這個系統(tǒng)調(diào)用獲得任務(wù)自身或其他應(yīng)用任務(wù)的信息,查詢即將TCB的內(nèi)容輸出。

(3)掛起任務(wù)。掛起優(yōu)先級為1的任務(wù),則優(yōu)先級為6的任務(wù)開始執(zhí)行。掛起的任務(wù)處于等待狀態(tài),只有通過調(diào)用任務(wù)恢復(fù)函數(shù)才能恢復(fù)。

(4)建立任務(wù)。建立優(yōu)先級分別為5、2和4的3個任務(wù)。優(yōu)先級為5的任務(wù)剝奪優(yōu)先級為6的任務(wù)的CPU使用權(quán),優(yōu)先級為2的任務(wù)又剝奪優(yōu)先級為5的任務(wù)的CPU使用權(quán)開始執(zhí)行,優(yōu)先級為4的任務(wù)等待。

(5)刪除任務(wù)。刪除了優(yōu)先級為2的任務(wù),此刻系統(tǒng)中優(yōu)先級為4的任務(wù)開始執(zhí)行。

(6)恢復(fù)任務(wù)。恢復(fù)優(yōu)先級為1的任務(wù),優(yōu)先級為1的任務(wù)剝奪優(yōu)先級為4的任務(wù)的CPU使用權(quán)又重新開始執(zhí)行。

從圖6可以看出,硬件實現(xiàn)可以高效完成操作系統(tǒng)任務(wù)管理的系統(tǒng)調(diào)用的功能。建立任務(wù)和刪除任務(wù)需要3個時鐘節(jié)拍,掛起任務(wù)、恢復(fù)任務(wù)和查詢?nèi)蝿?wù)的狀態(tài)需要1個時鐘節(jié)拍。任務(wù)調(diào)度是實時的,只要任務(wù)的狀態(tài)或優(yōu)先級有一個發(fā)生改變,就立刻重新調(diào)度。該設(shè)計所消耗的邏輯資源較少,降低了開發(fā)成本,使其集成組件成為可能。

本文針對傳統(tǒng)實時操作系統(tǒng)內(nèi)核占用系統(tǒng)資源、影響系統(tǒng)實時性的問題,提出了用單獨的硬件電路實現(xiàn)實時操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)調(diào)用和任務(wù)調(diào)度器的方案。重點給出了采用FPGA實現(xiàn)μC/OS-Ⅱ任務(wù)管理模塊的過程。仿真結(jié)果表明,任務(wù)管理的硬件實現(xiàn)保持了系統(tǒng)調(diào)用的正確性,同時減少了系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行時間、降低了處理器系統(tǒng)開銷。因此,硬件RTOS的實現(xiàn),具有一定研究和使用價值。



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