??? 摘? 要： 在闡述了硬件實時操作系統(tǒng)" title="實時操作系統(tǒng)">實時操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行機(jī)制的基礎(chǔ)上,，著重論述了基于FPGA設(shè)計實現(xiàn)的硬件實時操作系統(tǒng)" title="硬件實時操作系統(tǒng)">硬件實時操作系統(tǒng),，并在Actel公司的APA075上實現(xiàn)了任務(wù)調(diào)度" title="任務(wù)調(diào)度">任務(wù)調(diào)度、中斷管理,、定時器管理" title="定時器管理">定時器管理等實時操作系統(tǒng)基本功能,。該硬件實時操作系統(tǒng)具有強(qiáng)實時性、高確定性和低系統(tǒng)開銷等優(yōu)點。?

??? 關(guān)鍵詞： FPGA,；硬件實時操作系統(tǒng),；系統(tǒng)開銷?

?

??? 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" title="外部中斷">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(jī)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(jī)制,，每個調(diào)度時機(jī)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(jī),，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(jī),，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(jī)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(jī)，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

??????????????? 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(jī)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度,，調(diào)度時機(jī)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(jī),。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(jī)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(kuò)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,。?

參考文獻(xiàn)?

[1] ADOMAT J,，F(xiàn)URUNAS J，LINDH L,，et al.Real-Time Kernel in Hardware RTU：A step towards deterministic and high performance real-time systems.In Proceedings of Eighth Euromicro Workshop on Real-Time Systems,，1996.?

[2] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.?

[3] MOONEY V,，BLOUGH D M.A Hardware-Software realtime operating system framework for SOCs.IEEE Design and Test of Computers,，2002.?