摘 要： RTOS是嵌入式系統(tǒng)中重要的組成部分,，但其本身的運行使整個系統(tǒng)的性能下降,。針對RTOS的任務調度和時間延時處理部分進行分析，并加以硬件實現(xiàn),。在運行63個任務時,，采用硬件加速模塊，任務響應時間為2 180個時鐘周期,。相比沒有硬件支持的系統(tǒng),，任務響應時間可降低85.8%，提高了系統(tǒng)的可預測性,。
關鍵詞： RTOS,； 任務調度,； 時間延時； 任務響應時間,；可預測性
隨著科技的進步,，嵌入式系統(tǒng)的功能逐漸由簡單向復雜發(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,，降低了開發(fā)難度,，提高了代碼的重復利用率。在一些特殊的領域(醫(yī)療,、汽車,、航空航天)，對嵌入式系統(tǒng)的實時性要求非常高,。在這些場合,，任務必須在給定的時間內響應并正確完成。而實時操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operation System)本身的運行,，必然會引起性能的下降,，在任務數(shù)量增加時，這種下降更加明顯,。例如,，使用?滋C/OS-II實時操作系統(tǒng)在PowerPC處理器上運行，在TimeTick(時鐘節(jié)拍)周期為10 ?滋s,、運行64個任務的情況下，TimeTick中斷函數(shù)占用的CPU時間已達到42%[1],。
目前,RTOS軟件層面的研究已經很成熟,可有效提高RTOS性能的方法有以下幾種：
(1)提高處理器的運行頻率[2],。這對功耗相當敏感的嵌入式系統(tǒng)并不是好方法。同時高頻時鐘所引起的電磁干擾對電路板布線的要求也更高,；
(2)設計專用于RTOS系統(tǒng)服務的硬件,。硬件對相同的操作可并行處理。如果設計一種硬件,，在任務數(shù)量或TimeTick頻率增加的情況下,，系統(tǒng)也能在固定的時鐘周期內完成所有任務域的更新，從而降低RTOS運行所占的CPU時間,。
本文設計了實時系統(tǒng)加速RTA(Real-Time Acceleration)模塊,，對任務調度和系統(tǒng)時間管理進行硬件化，降低了任務中斷時間,，并對最終的測量數(shù)據(jù)進行對比,，得出結論,。
1 RTA的硬件設計
本文的硬件平臺使用OR1200[3] CPU,它是一款由OpenCores網站維護的開放源代碼CPU,內部結構可見可修改,且沒有版權問題。RTA模塊作為從設備連接到Wishbone總線[4]上,。在RTA模塊中,，由硬件實現(xiàn)任務管理和時間管理。RTA中的寄存器全部映射到內存空間上,，軟件通過對寄存器的訪問來控制RTA模塊的運行,。
該專用硬件可分成如下兩部分：
(1)任務管理和時間管理部分。RTA模塊支持64個任務,，使用基于優(yōu)先級的調度策略,，每個任務有唯一的優(yōu)先級。RTA只在需要任務切換時才中斷CPU,。時間延時的最小單位是TimeTick(時鐘節(jié)拍),，最長時間延時可達65 535個TimeTick；
(2)用于產生TimeTick信號的Timer(計時器),。RTA必須有獨立的Timer為其產生TimeTick信號,。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實時操作系統(tǒng)基礎上改進實現(xiàn)的,。該RTOS由Micrium網站維護，已經應用于商業(yè)產品[5],。整個軟硬件的實現(xiàn)在FPGA開發(fā)板DE2-70上完成,，系統(tǒng)時鐘頻率為25 MHz。
1.1 任務管理和時間管理
任務管理和時間管理的設計框圖如圖1所示,。
每個任務都有4個域：TaskValid,、OSTCBStat、OSTCBDly和OSTCBStatPend,。每個任務都有一個任務就緒標志TaskReady,，RTA通過PrioBitmapToBinary模塊找到最高的優(yōu)先級并送給HighestPrio。在CPU響應外部中斷或者給調度器上鎖時,可以通過OSIntNesting和OSLockNesting寄存器關閉RTA的中斷,。
μC/OS-II實時系統(tǒng)內核中,任務調度基于TimeTick完成,，由于程序只能順序執(zhí)行,任務的timedly域更新也是順序執(zhí)行的，從而使得調度函數(shù)的執(zhí)行時間與運行的任務數(shù)量有關,。在RTA模塊中,，基于TimeTick的調度機制并沒有改變，只是原型中順序執(zhí)行的timedly更新,，在硬件中可以同時執(zhí)行,。在使用RTA模塊的系統(tǒng)中，移去了軟件中的用于任務調度的數(shù)據(jù)結構,，相應地在硬件中予以實現(xiàn),。
當有更高優(yōu)先級的任務進入就緒態(tài)時,，就會產生RTA中斷。硬件實現(xiàn)上,，當進入就緒態(tài)的上個時鐘周期的最高優(yōu)先級和本時刻的最高優(yōu)先級不同時,，便產生中斷信號。在μC/OS-II中,，每個TimeTick時刻都會發(fā)生中斷,，這就需要更頻繁地保存CPU寄存器，相比本文提出的方法,，浪費了更多的CPU時間,。
1.2 TimeTick信號的產生
RTA的運行需要一個可配置的Timer來為其產生TimeTick信號。在本文中,，通過對OR1200進行改造,，利用其內部的Timer產生中斷信號作為RTA任務調度的標準時鐘節(jié)拍，而將RTA的中斷信號連接到原來Timer在CPU的接口處,。這樣,，CPU通過Wishbone總線可對Timer進行讀寫，且RTA產生的中斷不會占用可編程中斷控制器PIC（Programmable Interrupt Controller）,。改造后的框圖如圖2所示,。
1.3 軟件實現(xiàn)
因為任務數(shù)據(jù)結構的改變，源碼中所有涉及到任務數(shù)據(jù)結構的函數(shù)都要進行修改,。由于任務調度和時間處理由RTA模塊執(zhí)行,，原先執(zhí)行TimeTick的中斷函數(shù)要作相應修改，在中斷時,，只需讀取RTA中HighestPrio寄存器,，然后做上下文切換，運行該優(yōu)先級的任務即可,。
2 實驗結果
本實驗使用的CPU為OR1200,，CPU和所有的外設都通過Wishbone總線連接，系統(tǒng)時鐘為25 MHz,。在Altera的Cyclone II FPGA平臺上,使用Quartus 8.1工具對RTA進行布局布線,其共占用4 197個邏輯單元LE(Logic Element）。
任務響應時間是RTOS性能的一個重要指標,，其定義為：從任務中斷產生的時刻起,，到恢復任務執(zhí)行之間的時間。試驗中,，利用自定義的Timer作為測量標尺,，在2個測試點各讀取一次，相減后的數(shù)值再乘以此Timer的周期,，便得到該段測試時間,。圖3是有硬件加速和無硬件加速的任務響應時間的測試結果,，單位是系統(tǒng)時鐘周期。
從圖中3可以看出,，在無硬件支持的RTOS中,，隨著任務數(shù)的增加，任務響應時間也隨之呈線性增加,。其原因是,，程序順序執(zhí)行，在無硬件加速的情況下,，RTOS內核在每個TimeTick中斷都要對任務的延時域進行順序更新,。隨著任務的增加，延時域的處理時間也增長,。有硬件加速支持時,，任務響應時間縮短，而且與正在運行的任務數(shù)量沒有關系,。這是因為所有任務的延時域都同時更新,，在一個時鐘周期內即可全部完成。所以使用RTA模塊后,，降低了系統(tǒng)本身占用CPU的時間,，提高了系統(tǒng)的可預測性?？梢?，在添加RTA模塊后RTOS的性能得到了提高。
本文將μC/OS-II系統(tǒng)中調用頻繁的任務調度和時間管理采用硬件實現(xiàn),，達到了降低系統(tǒng)負載,、穩(wěn)定任務響應時間、提高系統(tǒng)可預測性的目的,。實驗結果表明,，使用本硬件，任務中斷響應時間可降低85.8%,。
參考文獻
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[5] 倪繼利，陳曦,，李揮. CPU源代碼分析與芯片設計及Linux移植[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2007：42-64.