μC/OS-II的實時系統(tǒng)加速模塊設計實現(xiàn)

　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(nèi)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uC/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(jīng)很成熟，可有效提高RTOS性能的方法有以下幾種：
　?。?）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；
　?。?）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(nèi)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(diào)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(jié)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(wǎng)站維護的開放源代碼CPU，內(nèi)部結(jié)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(nèi)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：
　?。?）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(diào)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(chǎn)生TimeTick信號的Timer（計時器）。RTA必須有獨立的Timer為其產(chǎn)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(wǎng)站維護，已經(jīng)應用于商業(yè)產(chǎn)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(diào)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(nèi)核中，任務調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)度的數(shù)據(jù)結(jié)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(chǎn)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(chǎn)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。