硬件實時操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，實時操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operating System）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。對于現(xiàn)有基于軟件實現(xiàn)的實時操作系統(tǒng)，單純依靠改進(jìn)調(diào)度算法已不能使其實時性有更大的提高。如果采用硬件邏輯實現(xiàn)RTOS中的任務(wù)調(diào)度、中斷處理和定時器管理等功能，則可使其實時性和確定性顯著提高。因為硬件邏輯獨立于處理器運行，不占用處理器的處理時間，所節(jié)省的時間用于執(zhí)行任務(wù)程序，從而提高了任務(wù)集合的可調(diào)度性和實時性。本文基于“外部處理器+FPGA”的硬件平臺結(jié)構(gòu)[1]，在FPGA上設(shè)計和實現(xiàn)了硬件實時操作系統(tǒng)。

1 硬件實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行原理

硬件實時操作系統(tǒng)能實現(xiàn)典型實時操作系統(tǒng)的各種功能模塊，包括：任務(wù)調(diào)度內(nèi)核、中斷管理模塊、定時器模塊、資源管理模塊和內(nèi)存管理模塊等[2]。為了實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，本文采用逐步演進(jìn)的方法。首先實現(xiàn)由任務(wù)調(diào)度內(nèi)核（也稱作硬件調(diào)度內(nèi)核）、中斷管理、定時器管理和接口軟件構(gòu)成的最小系統(tǒng)，然后逐步增加其他功能模塊。

硬件RTOS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)度內(nèi)核是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度管理；中斷管理模塊負(fù)責(zé)管理外部中斷；定時器模塊負(fù)責(zé)任務(wù)延時和周期執(zhí)行。硬件RTOS的數(shù)據(jù)通過接口總線與外部系統(tǒng)通信[3]。

任務(wù)調(diào)度內(nèi)核使用FPGA的片內(nèi)寄存器實現(xiàn)任務(wù)控制塊TCB（Task Control Block）隊列（簡稱任務(wù)隊列）。所有未執(zhí)行任務(wù)放在等待隊列和就緒隊列中。等待隊列中的任務(wù)在條件滿足時將變?yōu)榫途w任務(wù)。本文中，等待任務(wù)主要等待定時器時間和中斷到達(dá)。任務(wù)調(diào)度內(nèi)核能在每個調(diào)度時機計算出優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。調(diào)度內(nèi)核采用搶占式調(diào)度機制，每個調(diào)度時機輸出優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。

中斷模塊接管處理器除通知中斷以外的所有外部中斷，中斷服務(wù)程序稱作“中斷處理任務(wù)”，與普通任務(wù)一樣被硬件內(nèi)核調(diào)度。外部中斷到來時，觸發(fā)硬件內(nèi)核的調(diào)度時機，保證中斷任務(wù)的實時執(zhí)行。此時，軟件實時操作系統(tǒng)的中斷嵌套已經(jīng)轉(zhuǎn)換為處理器中任務(wù)的搶占，高優(yōu)先級的中斷任務(wù)可以搶占低優(yōu)先級任務(wù)。

定時器管理模塊實現(xiàn)任務(wù)的延時和周期運行，在設(shè)定任務(wù)周期或延時時間后，每當(dāng)設(shè)定時間到時便會使對應(yīng)任務(wù)就緒，并觸發(fā)硬件內(nèi)核的調(diào)度時機，由后者執(zhí)行一次任務(wù)調(diào)度。

接口總線硬件實現(xiàn)處理器與硬件RTOS之間的數(shù)據(jù)傳輸和事件通知。接口軟件從功能上分為兩類：(1)系統(tǒng)API。被應(yīng)用程序調(diào)用，能通過接口總線向硬件RTOS發(fā)送命令。硬件RTOS收到命令后，解析數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)操作。(2)通知中斷服務(wù)程序。硬件RTOS進(jìn)行一次任務(wù)調(diào)度后，如果發(fā)現(xiàn)新“選出”的最高優(yōu)先級就緒任務(wù)與當(dāng)前處理器正在執(zhí)行的任務(wù)不同，則需要進(jìn)行現(xiàn)場切換。硬件調(diào)度內(nèi)核將利用通知中斷告知處理器該就緒任務(wù)的ID和堆棧地址，觸發(fā)后者執(zhí)行中斷服務(wù)程序，以執(zhí)行現(xiàn)場切換。

任務(wù)存在阻塞（S0）、就緒（S1）和運行（S2）三個狀態(tài)，定時器存在停止（T0）、運行（T1）兩個狀態(tài)，中斷模塊存在無效（I0）、有效（I1）兩個狀態(tài)。圖2描述了最小系統(tǒng)各模塊的運行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本文選用ARM9系列的處理器S3C2410和Actel公司的FPGA芯片APA075，用后者實現(xiàn)硬件實時操作系統(tǒng)，調(diào)度在處理器上執(zhí)行的任務(wù)。

2.1 任務(wù)調(diào)度內(nèi)核的設(shè)計實現(xiàn)

實時操作系統(tǒng)的核心是任務(wù)調(diào)度內(nèi)核，其主要功能是根據(jù)調(diào)度算法，在每個調(diào)度時機確定下一個將要執(zhí)行的任務(wù)，并適時進(jìn)行現(xiàn)場切換。為此，調(diào)度內(nèi)核需要維護(hù)一系列的任務(wù)隊列（如就緒任務(wù)隊列和等待任務(wù)隊列），并在每個調(diào)度時機，根據(jù)優(yōu)先級重新排列就緒隊列，以計算出優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。

合理的任務(wù)控制塊是實現(xiàn)硬件調(diào)度內(nèi)核的關(guān)鍵，應(yīng)能根據(jù)調(diào)度算法分配優(yōu)先級，并利于優(yōu)先級比較，而且能夠索引最終結(jié)果。根據(jù)上述需求，設(shè)計了如圖3所示的任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)。其中ID為任務(wù)號，State為任務(wù)狀態(tài)，Prio為任務(wù)優(yōu)先級，SP_End為任務(wù)堆棧終止地址，Run_Time 為任務(wù)起始運行時間，End_Time為任務(wù)結(jié)束運行時間。起始和截止時間能根據(jù)特定算法分配任務(wù)的優(yōu)先級。Delay_Counter為任務(wù)延時計數(shù)器，Timer_Counter為周期任務(wù)分頻計數(shù)器，Int_Number為中斷號。

硬件調(diào)度內(nèi)核使用多級比較器，能確定當(dāng)前時刻優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，并將其信息通過接口總線發(fā)送到處理器。比較器采用相鄰任務(wù)兩兩比較的方式。所以，2n個任務(wù)需要n級比較器，構(gòu)成2n－1個比較單元。多級比較器的結(jié)構(gòu)示例如圖4。

一個比較單元的實現(xiàn)代碼如下：

process(Ready_TASK0_pro， Ready_TASK1_pro)

begin

if (Ready_TASK0_pro Ready_TASK1_pro) then

cmp_level3_01_pro= Ready_TASK0_pro；

cmp_level3_01_id= Ready_TASK0_id；

else

cmp_level3_01_pro=Ready_TASK1_pro；

cmp_level3_01_id=Ready_TASK1_id；

end if；

end process；

每個比較單元以任務(wù)ID為索引，以優(yōu)先級為比較內(nèi)容，每次比較都將優(yōu)先級高的任務(wù)送入下一級比較，經(jīng)過2n－1次比較，可以把2n個任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)選出。硬件邏輯是物理并行執(zhí)行的，所以與軟件實現(xiàn)的實時操作系統(tǒng)調(diào)度內(nèi)核相比，硬件調(diào)度內(nèi)核的執(zhí)行速度快，而且這種優(yōu)勢在多任務(wù)虛擬并行和高時鐘節(jié)拍的情況下將更加明顯。

硬件調(diào)度內(nèi)核邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示，處理器和硬件調(diào)度內(nèi)核之間通過接口總線通信。硬件調(diào)度內(nèi)核在調(diào)度時機進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，調(diào)度時機在以下幾種情況產(chǎn)生：(1)周期任務(wù)周期時間到達(dá)，任務(wù)狀態(tài)由等待變?yōu)榫途w。(2)延時時間到達(dá)，等待任務(wù)狀態(tài)由等待變?yōu)榫途w。(3)外部中斷到達(dá)，中斷任務(wù)狀態(tài)由等待變?yōu)榫途w。(4)應(yīng)用程序調(diào)用由硬件RTOS提供的系統(tǒng)API改變了任務(wù)狀態(tài)或優(yōu)先級。

以上述第4種情況為例，描述調(diào)度執(zhí)行過程如下：處理器在執(zhí)行到應(yīng)用程序調(diào)用的系統(tǒng)API時，將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼后傳遞到調(diào)度內(nèi)核，觸發(fā)硬件調(diào)度內(nèi)核的一次調(diào)度時機。后者解析收到的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行調(diào)度操作，通過比較各任務(wù)優(yōu)先級，計算出優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。若該任務(wù)與當(dāng)前處理器中正在運行的任務(wù)不同，則將該任務(wù)的ID號和堆棧終止地址利用通知中斷回送給處理器。

2.2 中斷管理模塊的設(shè)計實現(xiàn)

普通任務(wù)控制塊的中斷號為0，而中斷任務(wù)的中斷號為大于0的整數(shù)值，并與中斷號對應(yīng)的外部中斷相關(guān)。中斷管理模塊使用FPGA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)。應(yīng)用程序初始化階段設(shè)定任務(wù)控制塊中斷號字段Int_Number，能注冊中斷處理任務(wù)。在FPGA中建立以外部中斷為敏感信號的守護(hù)進(jìn)程，當(dāng)外部中斷到達(dá)時，該進(jìn)程將中斷任務(wù)置于就緒狀態(tài)，其偽代碼如下：

process(Task_Int_Number)//外部中斷為敏感信號

begin

if (Task_Int_Number’event and Task_Int_Number=0) then//下降沿觸發(fā)

Task_State =1；//任務(wù)置于就緒態(tài)

else

Task_State=0；

end if；

end process；

硬件調(diào)度內(nèi)核以任務(wù)狀態(tài)為敏感信號，當(dāng)外部中斷通過中斷管理模塊使中斷任務(wù)就緒時，會觸發(fā)調(diào)度內(nèi)核執(zhí)行一次任務(wù)調(diào)度。中斷管理模塊的邏輯結(jié)構(gòu)如圖6所示。為了保證外部事件的實時處理，應(yīng)用程序可為中斷任務(wù)設(shè)置高于普通任務(wù)的優(yōu)先級。

2.3 定時器管理模塊的設(shè)計實現(xiàn)

　　定時器管理模塊以FPGA外部晶振為基準(zhǔn)進(jìn)行分頻，創(chuàng)建多個定時器以設(shè)定任務(wù)周期。與定時器關(guān)聯(lián)的任務(wù)稱作周期任務(wù)。定時器管理模塊在每個定時器的周期到達(dá)后，使對應(yīng)的周期任務(wù)就緒，觸發(fā)調(diào)度內(nèi)核進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

　　設(shè)定任務(wù)控制塊中的Timer_Number注冊周期任務(wù)。如圖7所示，定時器管理模塊實現(xiàn)：（1）任務(wù)周期運行。在應(yīng)用程序設(shè)置并使能周期計數(shù)器Timer_Counter后，每當(dāng)系統(tǒng)時鐘到達(dá)，計數(shù)器減1。當(dāng)計數(shù)器為0時，觸發(fā)對應(yīng)的守護(hù)進(jìn)程，使任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)并重置周期計數(shù)器。任務(wù)狀態(tài)的改變觸發(fā)FPGA中的調(diào)度進(jìn)程，執(zhí)行一次任務(wù)調(diào)度。（2）任務(wù)延時。在應(yīng)用程序設(shè)置并使能延時計數(shù)器Delay_Counter后，模塊使任務(wù)變?yōu)榈却隣顟B(tài)。每次系統(tǒng)時鐘到達(dá)，計數(shù)器減1。當(dāng)計數(shù)器為0時，觸發(fā)對應(yīng)守護(hù)進(jìn)程，使任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，并執(zhí)行一次任務(wù)調(diào)度。

2.4 接口設(shè)計

接口總線的硬件由32位數(shù)據(jù)總線、5位地址總線、1個片選引線和1個通知中斷引線構(gòu)成。接口軟件包括系統(tǒng)API和通知中斷處理程序。

2.4.1 系統(tǒng)API的設(shè)計

系統(tǒng)API實現(xiàn)處理器中應(yīng)用程序與硬件RTOS的交互。首先為任務(wù)調(diào)度內(nèi)核、中斷管理和定時器管理等各硬件模塊分配處理器訪問地址；然后，定義各模塊使用的API，確定其功能和轉(zhuǎn)換后向硬件RTOS發(fā)出的數(shù)據(jù)格式及內(nèi)容。

任務(wù)管理API包括：創(chuàng)建任務(wù)（Task_Creat）、阻塞任務(wù)（Task_Block）、改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級（Task_Change_Prio）和改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài)（Task_Change_State）。

定時器管理API包括：設(shè)定分頻值（Set_Timer_Fre）、使能周期任務(wù)（Set_Timer_Task）和延時（Delay）。

中斷管理API包括：設(shè)定中斷任務(wù)（Set_Int_Task）和等待中斷（Wait_IRQ）。

下面以創(chuàng)建任務(wù)API為例，描述其偽代碼和功能注釋：

Task_Creat(ID,PRO,STATE)//創(chuàng)建任務(wù)，ID為任務(wù)索引， //PRO為優(yōu)先級，STATE為起始狀態(tài)

{

Senddata=0001∷ID：PRO：STATE；//拼裝數(shù)據(jù)， //變成發(fā)送數(shù)據(jù)格式

TASKADD=Senddata；//將數(shù)據(jù)發(fā)送給硬件RTOS

}

2.4.2 通知中斷服務(wù)程序的設(shè)計

實時操作系統(tǒng)中，每個任務(wù)都有堆?？臻g，用于現(xiàn)場切換時保存各寄存器值和棧指針。其中，棧指針指向的堆棧起始地址和保存現(xiàn)場后的終止地址最為重要。保存當(dāng)前運行任務(wù)的現(xiàn)場時，從其堆棧的起始地址開始執(zhí)行入棧操作；而恢復(fù)將運行任務(wù)的現(xiàn)場時，從其堆棧的終止地址開始執(zhí)行出棧操作。

任務(wù)堆棧在處理器使用的內(nèi)存中分配。應(yīng)用程序初始化時，將任務(wù)堆棧終止地址利用接口總線寫入硬件調(diào)度內(nèi)核維護(hù)的任務(wù)控制塊中。每次調(diào)度結(jié)束后，若需要現(xiàn)場切換，硬件調(diào)度內(nèi)核會將下一運行任務(wù)的ID和堆棧終止地址利用通知中斷發(fā)送給處理器。通知中斷處理程序首先將當(dāng)前任務(wù)的寄存器保存在該任務(wù)以SP_START為起始地址的堆棧中，然后從接口總線讀取下一運行任務(wù)的ID和堆棧終止地址，恢復(fù)該任務(wù)的現(xiàn)場并開始運行。圖8顯示了通知中斷服務(wù)程序的執(zhí)行過程。

3 實驗與結(jié)果分析

對本文實現(xiàn)的硬件RTOS，在時鐘節(jié)拍為10μs時，分別測試在4、8、16、32和64個任務(wù)下、由定時器中斷觸發(fā)調(diào)度時機引起現(xiàn)場切換，所占處理器時間（系統(tǒng)開銷）的情況。其結(jié)果與軟件實時操作系統(tǒng)μC/OS進(jìn)行比較，如表1所示。

測試結(jié)果表明，硬件RTOS中，由定時器中斷引起的系統(tǒng)開銷不隨任務(wù)個數(shù)的增加而顯著變化，但與μC/OS相比，差值越來越大。

表2列出了任務(wù)32時，在10μs、20μs、40μs、80μs和100μs的時鐘節(jié)拍下，硬件RTOS和μC/OS由定時器中斷引起現(xiàn)場切換所占處理器時間的情況。

測試結(jié)果表明，隨著時鐘節(jié)拍降低，硬件RTOS的系統(tǒng)開銷變化不明顯，而與μC/OS相比，差值越來越大。時鐘節(jié)拍很小時，硬件RTOS比μC/OS的系統(tǒng)開銷低許多。

目前，硬件RTOS實現(xiàn)了任務(wù)調(diào)度內(nèi)核等基本模塊。今后的工作中，將進(jìn)一步擴展其功能，增加以下幾個部分：（1）任務(wù)間通信和同步。（2）內(nèi)存管理。（3）支持更多的調(diào)度算法，實現(xiàn)調(diào)度算法可配置。（4）針對可在FPGA中實現(xiàn)的可配置處理器，用硬件實現(xiàn)上下文切換邏輯。

實時操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用的核心，本文采用FPGA實現(xiàn)硬件實時操作系統(tǒng)，包括任務(wù)調(diào)度內(nèi)核、中斷管理和定時器管理等基本功能。硬件RTOS能降低處理器系統(tǒng)開銷，提高其利用率，從而提高實時系統(tǒng)任務(wù)集合的可調(diào)度性，具有一定的研究和使用價值。