一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS的硬件加速設(shè)計(jì)

　　摘 要： RTOS是嵌入式系統(tǒng)中重要的組成部分，但其本身的運(yùn)行使整個(gè)系統(tǒng)的性能下降。針對(duì)RTOS的任務(wù)調(diào)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(xiàn)。在運(yùn)行63個(gè)任務(wù)時(shí)，采用硬件加速模塊，任務(wù)響應(yīng)時(shí)間為2 180個(gè)時(shí)鐘周期。相比沒有硬件支持的系統(tǒng)，任務(wù)響應(yīng)時(shí)間可降低85.8%，提高了系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性。

　　隨著科技的進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)的功能逐漸由簡(jiǎn)單向復(fù)雜發(fā)展，開發(fā)難度也隨之提高。嵌入式操作系統(tǒng)的使用，屏蔽了部分硬件信息，提供給開發(fā)者統(tǒng)一的平臺(tái)，降低了開發(fā)難度，提高了代碼的重復(fù)利用率。在一些特殊的領(lǐng)域(醫(yī)療、汽車、航空航天)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)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(nèi)響應(yīng)并正確完成。而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operation System)本身的運(yùn)行，必然會(huì)引起性能的下降，在任務(wù)數(shù)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(tǒng)在PowerPC處理器上運(yùn)行，在TimeTick(時(shí)鐘節(jié)拍)周期為10 ?滋s、運(yùn)行64個(gè)任務(wù)的情況下，TimeTick中斷函數(shù)占用的CPU時(shí)間已達(dá)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(yùn)行頻率[2]。這對(duì)功耗相當(dāng)敏感的嵌入式系統(tǒng)并不是好方法。同時(shí)高頻時(shí)鐘所引起的電磁干擾對(duì)電路板布線的要求也更高；

　　(2)設(shè)計(jì)專用于RTOS系統(tǒng)服務(wù)的硬件。硬件對(duì)相同的操作可并行處理。如果設(shè)計(jì)一種硬件，在任務(wù)數(shù)量或TimeTick頻率增加的情況下，系統(tǒng)也能在固定的時(shí)鐘周期內(nèi)完成所有任務(wù)域的更新，從而降低RTOS運(yùn)行所占的CPU時(shí)間。

　　本文設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)加速RTA(Real-Time Acceleration)模塊，對(duì)任務(wù)調(diào)度和系統(tǒng)時(shí)間管理進(jìn)行硬件化，降低了任務(wù)中斷時(shí)間，并對(duì)最終的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。

　　1 RTA的硬件設(shè)計(jì)

　　本文的硬件平臺(tái)使用OR1200[3] CPU,它是一款由OpenCores網(wǎng)站維護(hù)的開放源代碼CPU,內(nèi)部結(jié)構(gòu)可見可修改,且沒有版權(quán)問題。RTA模塊作為從設(shè)備連接到Wishbone總線[4]上。在RTA模塊中，由硬件實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理和時(shí)間管理。RTA中的寄存器全部映射到內(nèi)存空間上，軟件通過對(duì)寄存器的訪問來控制RTA模塊的運(yùn)行。

　　該專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(jí)的調(diào)度策略，每個(gè)任務(wù)有唯一的優(yōu)先級(jí)。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(jié)拍)，最長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)可達(dá)65 535個(gè)TimeTick；

　　(2)用于產(chǎn)生TimeTick信號(hào)的Timer(計(jì)時(shí)器)。RTA必須有獨(dú)立的Timer為其產(chǎn)生TimeTick信號(hào)。在本文中，利用OR1200自帶的Timer完成此工作。

　　本文使用的系統(tǒng)是在μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。該RTOS由Micrium網(wǎng)站維護(hù)，已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品[5]。整個(gè)軟硬件的實(shí)現(xiàn)在FPGA開發(fā)板DE2-70上完成，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為25 MHz。