硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，單純依靠改進(jìn)調(diào)度算法已不能使其實(shí)時(shí)性有更大的提高。如果采用硬件邏輯實(shí)現(xiàn)RTOS中的任務(wù)調(diào)度、中斷處理和定時(shí)器管理等功能，則可使其實(shí)時(shí)性和確定性顯著提高。因?yàn)橛布壿嫪?dú)立于處理器運(yùn)行，不占用處理器的處理時(shí)間，所節(jié)省的時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)和實(shí)現(xiàn)了硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
　　1 硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理
　　硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)典型實(shí)時(shí)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(shí)器模塊、資源管理模塊和內(nèi)存管理模塊等［2］。為了實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)器模塊負(fù)責(zé)任務(wù)延時(shí)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(shí)現(xiàn)任務(wù)控制塊TCB（Task Control Block）隊(duì)列（簡稱任務(wù)隊(duì)列）。所有未執(zhí)行任務(wù)放在等待隊(duì)列和就緒隊(duì)列中。等待隊(duì)列中的任務(wù)在條件滿足時(shí)將變?yōu)榫途w任務(wù)。本文中，等待任務(wù)主要等待定時(shí)器時(shí)間和中斷到達(dá)。任務(wù)調(diào)度內(nèi)核能在每個(gè)調(diào)度時(shí)機(jī)計(jì)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(gè)調(diào)度時(shí)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(shí)，觸發(fā)硬件內(nèi)核的調(diào)度時(shí)機(jī)，保證中斷任務(wù)的實(shí)時(shí)執(zhí)行。此時(shí)，軟件實(shí)時(shí)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(shí)器管理模塊實(shí)現(xiàn)任務(wù)的延時(shí)和周期運(yùn)行，在設(shè)定任務(wù)周期或延時(shí)時(shí)間后，每當(dāng)設(shè)定時(shí)間到時(shí)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(shí)機(jī)，由后者執(zhí)行一次任務(wù)調(diào)度。
　　接口總線硬件實(shí)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(yùn)行（S2）三個(gè)狀態(tài)，定時(shí)器存在停止（T0）、運(yùn)行（T1）兩個(gè)狀態(tài)，中斷模塊存在無效（I0）、有效（I1）兩個(gè)狀態(tài)。圖2描述了最小系統(tǒng)各模塊的運(yùn)行狀態(tài)。
　　
　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)現(xiàn)硬件實(shí)時(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)
　　實(shí)時(shí)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(gè)調(diào)度時(shí)機(jī)確定下一個(gè)將要執(zhí)行的任務(wù)，并適時(shí)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(duì)列（如就緒任務(wù)隊(duì)列和等待任務(wù)隊(duì)列），并在每個(gè)調(diào)度時(shí)機(jī)，根據(jù)優(yōu)先級重新排列就緒隊(duì)列，以計(jì)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(shí)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(jì)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(yùn)行時(shí)間，End_Time為任務(wù)結(jié)束運(yùn)行時(shí)間。起始和截止時(shí)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(shí)計(jì)數(shù)器，Timer_Counter為周期任務(wù)分頻計(jì)數(shù)器，Int_Number為中斷號。