硬件實時操作系統(tǒng)信號量管理的設計與實現(xiàn)

隨著嵌入式技術的發(fā)展，實時操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operating System)被越來越多地應用在嵌入式系統(tǒng)中，但是對現(xiàn)有基于軟件實現(xiàn)的RTOS，單純依靠改進調(diào)度算法已經(jīng)不能使系統(tǒng)的實時性有很大提高。為提高系統(tǒng)的響應能力，國內(nèi)外一些研究機構提出RTOS硬化的方法，并開始做這方面的研究工作[1]。目前，軟件硬化常用的有兩種方法：(1)微程序方式，特點是成本較低，方便靈活；(2)組合邏輯方式，特點是速度快、可靠性高，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，這種方式逐漸顯示出優(yōu)越性[2]。信號量管理是RTOS中頻繁運行的程序段之一，如果將這一部分用硬件實現(xiàn)，對提高機器的速度將有很明顯的效果。本文采用組合邏輯方式參照μC/OS-II將信號量管理及ECB管理硬化到一片芯片上，作為獨立的模塊與處理器并行工作。

1 信號量管理的工作原理
μC/OS-II中信號量主要數(shù)據(jù)結構由兩部分組成：(1)信號量的計數(shù)值Cnt。當數(shù)值為正時用于記錄可使用的資源數(shù)，當數(shù)值為負，其絕對值表示等待當前信號量的任務個數(shù)；(2)等待該信號量的任務列表。信號量的基本數(shù)據(jù)結構需要申請一個ECB來存儲。一個任務或ISR可以通過ECB向另外的任務發(fā)信號，一個任務可以等待另一個任務或中斷服務子程序給它發(fā)送信號，多個任務可同時等待同一個事件的發(fā)生[3]。當事件發(fā)生后，等待該事件的優(yōu)先級最高的任務進入就緒狀態(tài)，觸發(fā)一次任務調(diào)度[3]。任務或者中斷服務子程序都可以給ECB發(fā)信號，對ECB進行操作。

信號量管理的工作原理框圖如圖1所示。信號量管理模塊以及事件控制塊管理都是獨立于CPU的邏輯結構，都可以直接從數(shù)據(jù)總線上獲得數(shù)據(jù)信息進行處理，在信號量管理模塊與ECB的存儲模塊間建立一條數(shù)據(jù)通路，在不增加總線負擔的情況下加快二者間的通信。這些硬件邏輯獨立于CPU工作，減少了CPU的工作，從而提高系統(tǒng)的響應能力。

2 信號量管理的硬件設計與實現(xiàn)

2.1 ECB的設計與實現(xiàn)
ECB是實現(xiàn)信號量管理的基本數(shù)據(jù)結構，因此在設計實現(xiàn)信號量管理之前，要先完成ECB管理的設計與實現(xiàn)。本系統(tǒng)中ECB的結構參照μC/OS-II中ECB的結構設計。每個ECB存儲單元包含一個EventType（事件類型），用于標記當前ECB被分配給信號量、互斥型信號量、郵箱還是消息隊列；當一個ECB被分配給信號量時，Cnt做為信號量的計數(shù)器；ECB中的等待表lut用于存儲等待當前信號量任務的優(yōu)先級(μC/OS-II中沒有兩個任務有相同的優(yōu)先級)[3]。

ECB中等待表硬件實現(xiàn)的結構示意圖如圖2所示。等待表的結構類似一個8行8列的矩陣，存儲單元編號從00~77。當一個任務在申請當前信號量而沒有獲得時，應將當前任務設置為等待狀態(tài)，令Wr有效，以申請該信號量任務的優(yōu)先級為地址，進行譯碼，選通相應單元后再進行寫1操作。例如，申請該信號量的任務優(yōu)先級Sid為111111時，對其進行譯碼，高三位行地址譯碼為10000000，低三位列地址譯碼為10000000，選中77單元向其寫入1，則優(yōu)先級為111111的任務進入等待狀態(tài)。若要將一個處于等待表中的任務刪除，令De有效，同樣，根據(jù)地址線選通某一存儲單元，向單元內(nèi)寫0，從而刪除某一處于等待狀態(tài)的任務。在控制電路中設置EventGrp 8位寄存器，用于記錄當前各行中是否有等待任務；如圖2所示，第i行中某一位置為1，EventGrp(i)=1，圖中狀態(tài)EventGrp(7)=1、EventGrp(6)=1、EventGrp(0)=0。Rd有效時，控制電路根據(jù)EventGrp采用一定算法生成優(yōu)先級的高三位；根據(jù)EventGrp讀出某行后生成優(yōu)先級低三位；下一時鐘送出最高優(yōu)先級。以上為對等待表進行基本讀寫操作的過程。

該硬件系統(tǒng)中ECB基本存儲單元通過調(diào)用系統(tǒng)的IP核來實現(xiàn)，根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的不同，采用不同的IP核；多個基本單元通過一個上層文件生成一個ECB單元，每個單元再作為一個基本器件用于實現(xiàn)整個ECB的存儲體。通過地址的譯碼選通ECB單元，根據(jù)控制信號對數(shù)據(jù)做讀寫操作。

2.2 創(chuàng)建/刪除一個信號量
ECB是公共數(shù)據(jù)結構，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中創(chuàng)建一個信號量時，首先需要申請一個ECB，初始化后才可以對這個信號量進行P/V等操作；在刪除一個信號量后，要對信號量占用的ECB進行釋放。創(chuàng)建信號量時，信號量管理模塊首先要申請一個空ECB，查找ECB的整個存儲體判斷是否有空余的ECB。如果沒有空余ECB，則信號量管理模塊將獲得一個申請失敗信號；否則將獲得一個空ECB的地址，并將其返回給創(chuàng)建該信號量的任務；再根據(jù)地址初始化ECB[3]。如果用硬件實現(xiàn)信號量管理后，按照以上過程進行操作會浪費很多時鐘，數(shù)據(jù)在模塊間來回傳送增加通信次數(shù)，必然降低系統(tǒng)的執(zhí)行速度。針對這個問題，提出了在信號量管理模塊中設置一個用于記錄ECB使用情況的映射表，如圖3所示。為方便討論，假設系統(tǒng)中ECB有64個(可以根據(jù)系統(tǒng)中ECB的個數(shù)來改變表的大小)，表的每個位置對應一個ECB，當某一位置為0時表示該位置對應的ECB空閑，為1時表示該位置對應的ECB被占用。如圖3所示，第1行、第8列為1，表示偏移地址為000111的ECB被占用；第2行、第2 列為1，偏移地址為010010的ECB被占用。

在創(chuàng)建一個信號量時，查找ECB映射表，判斷是否有為0的位置。如果沒有則返回申請失??；否則尋找一個為0的位置，生成ECB的地址，返回給創(chuàng)建該信號量的任務。在映射表中相應位置寫1表明該ECB已經(jīng)被占用，下一時鐘對申請到的ECB進行初始化，寫入信號量初始值。在刪除一個信號量時，首先根據(jù)信號量的ECB地址查詢映射表中對應位置是否為0，如果為0，則表示該信號量已經(jīng)被其他任務刪除，返回刪除錯誤；否則清除該信號量在映射表中的記錄，通知ECB管理模塊將等待該信號的所有任務置為就緒態(tài)，觸發(fā)一次任務調(diào)度，清除ECB中的該信號量的所有信息。以上過程中不需要頻繁地去ECB管理模塊中進行整體查詢，因此節(jié)省了大量的通信時間。

2.3 申請/釋放一個信號量（P/V操作）
信號量管理中的主要操作就是P/V操作，P/V操作實現(xiàn)的RTL圖如圖4所示。

(1)P操作（申請某個信號量）。令pend_sem有效，首先應判斷申請信號量的任務是否為中斷服務程序（在μC/OS-II中，中斷服務程序不允許申請一個信號量），如果是則返回申請錯誤信息（pend_err為高），否則進行以下操作：令read_cnt有效去ECB管理模塊讀Cnt值；讀回后判斷Cnt的值。如果Cnt>0，當前申請任務獲得該信號量，任務繼續(xù)執(zhí)行，返回申請成功信號pend_err為低；否則pend_err為高阻，根據(jù)申請類型Pend_type(申請類型在μC/OS-II中分為有等待申請和無等待申請)來決定是否修改Cnt值，是否將申請信號量的任務置為等待態(tài)。

(2)V操作（釋放某個信號量）。令post_sem有效，通過硬件電路使read_cnt有效，同時給出信號量的ECB地址，下一時鐘讀出Cnt值，并判斷；如果Cnt>0則表示沒有任務等待當前信號量，修改Cnt值；如果Cnt0則表示當前有任務等待該信號量，修改Cnt值，令select_h有效，從ECB任務等待表中找出優(yōu)先級最高的任務，通知任務管理器將該任務置為就緒態(tài)，觸發(fā)一次任務調(diào)度。

3 功能仿真
為驗證設計對系統(tǒng)性能的影響，采用ISE 8.2軟件對各個模塊進行時序仿真。P/V操作仿真結果如圖5所示。P/V操作需要在兩個模塊之間進行讀寫數(shù)據(jù)，操作過程中，P/V信號始終有效。

（1）pend_sem有效(P操作)。申請信號量任務的優(yōu)先級為01，申請信號量的地址為05。pend_sem有效，令read_cnt為高，根據(jù)地址pend_addr讀當前信號量的值Cnt，下一個時鐘返回數(shù)值Cnt_in為0002，大于0；任務獲得信號量繼續(xù)執(zhí)行，wr_cnt為高，Cnt值進行減1操作后送Cnt_out寫回ECB。

（2）post_sem有效（V操作）。根據(jù)地址讀Cnt值，Cnt值為FFFE0（Cnt值以補碼形式存儲）。下一個時鐘Cnt進行加1操作后寫回ECB，同時Select_h為高，從等待該信號量的任務列表中選擇出優(yōu)先級最高的任務設置為就緒態(tài)，觸發(fā)一次任務調(diào)度。

（3）申請一個信號量。申請信號量任務的優(yōu)先級為03，申請的信號量的地址為09。如果下一個時鐘讀回的Cnt值為FFFD0，并且申請類型為高（有等待申請），則修改Cnt值寫回，令wr_sid為高，將當前申請任務的優(yōu)先級送pend_prio_out寫入等待該信號的任務列表中。如果pend_err為高，則通知任務管理器將當前申請信號量的任務阻塞，并觸發(fā)一次任務調(diào)度。

（4）申請一個信號量，讀回的Cnt值為FFFA0，但當前申請類型為低（無等待申請），不進行任何操作，返回申請失敗，通知任務管理器將當前任務阻塞。

用戶程序在創(chuàng)建、刪除一個信號量以及申請某類共享資源進行P/V操作時，用軟件實現(xiàn)信號量管理中，一般先從用戶態(tài)轉到系統(tǒng)態(tài)，然后進行基本數(shù)據(jù)的查詢、讀出、比較、判斷等，再轉相應的程序入口，最后還要從系統(tǒng)態(tài)轉回用戶態(tài)。而用硬件實現(xiàn)信號量管理后進行以上操作只需一條讀或寫指令，并且這條指令在用軟件實現(xiàn)的信號量管理中也是必須的，其他操作都由硬件邏輯來實現(xiàn)，簡化了操作過程。從仿真結果看，進行P/V操作時只需要3個時鐘節(jié)拍，整體的執(zhí)行速度遠遠高于軟件。同時，RTOS中信號量的個數(shù)為多個，信號量管理在RTOS中頻繁運行。因此，硬化信號量管理后對整個機器速度的提高是非常明顯的，特別是對資源種類多、數(shù)量大的計算機系統(tǒng)，速度的提高就會更加明顯。另一方面，由于硬件的可靠性遠超過軟件的可靠性，所以硬化后可提高RTOS的可靠性。

參考文獻
[1] 崔建華，孫紅勝，王保進．硬件實時操作系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]．計算機技術應用，2008(5)：34-37．
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[3] LABROSSE J J．嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ[M]．邵貝貝譯．北京：北京航空航天大學出版社，2001：156-176