一種實時操作系統(tǒng)硬件加速設(shè)計

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(wù)調(diào)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(wù)時，采用硬件加速模塊，任務(wù)響應(yīng)時間為2 180個時鐘周期。相比沒有硬件支持的系統(tǒng)，任務(wù)響應(yīng)時間可降低85.8%，提高了系統(tǒng)的可預(yù)測性。
關(guān)鍵詞： RTOS； 任務(wù)調(diào)度； 時間延時； 任務(wù)響應(yīng)時間；可預(yù)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(fù)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(fù)利用率。在一些特殊的領(lǐng)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(wù)必須在給定的時間內(nèi)響應(yīng)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(wù)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(wù)的情況下，TimeTick中斷函數(shù)占用的CPU時間已達(dá)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：
(1)提高處理器的運行頻率[2]。這對功耗相當(dāng)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(shè)計專用于RTOS系統(tǒng)服務(wù)的硬件。硬件對相同的操作可并行處理。如果設(shè)計一種硬件，在任務(wù)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(wù)域的更新，從而降低RTOS運行所占的CPU時間。
本文設(shè)計了實時系統(tǒng)加速RTA(Real-Time Acceleration)模塊，對任務(wù)調(diào)度和系統(tǒng)時間管理進行硬件化，降低了任務(wù)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(shè)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(gòu)可見可修改,且沒有版權(quán)問題。RTA模塊作為從設(shè)備連接到Wishbone總線[4]上。在RTA模塊中，由硬件實現(xiàn)任務(wù)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：
　(1)任務(wù)管理和時間管理部分。RTA模塊支持64個任務(wù)，使用基于優(yōu)先級的調(diào)度策略，每個任務(wù)有唯一的優(yōu)先級。RTA只在需要任務(wù)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(dá)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(chǔ)上改進實現(xiàn)的。該RTOS由Micrium網(wǎng)站維護，已經(jīng)應(yīng)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(wù)管理和時間管理
　任務(wù)管理和時間管理的設(shè)計框圖如圖1所示。

每個任務(wù)都有4個域：TaskValid、OSTCBStat、OSTCBDly和OSTCBStatPend。每個任務(wù)都有一個任務(wù)就緒標(biāo)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(yīng)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(guān)閉RTA的中斷。
　μC/OS-II實時系統(tǒng)內(nèi)核中,任務(wù)調(diào)度基于TimeTick完成，由于程序只能順序執(zhí)行,任務(wù)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(wù)數(shù)量有關(guān)。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(wù)調(diào)度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地在硬件中予以實現(xiàn)。
　當(dāng)有更高優(yōu)先級的任務(wù)進入就緒態(tài)時，就會產(chǎn)生RTA中斷。硬件實現(xiàn)上，當(dāng)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。
1.2 TimeTick信號的產(chǎn)生
　RTA的運行需要一個可配置的Timer來為其產(chǎn)生TimeTick信號。在本文中，通過對OR1200進行改造，利用其內(nèi)部的Timer產(chǎn)生中斷信號作為RTA任務(wù)調(diào)度的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變，源碼中所有涉及到任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)都要進行修改。由于任務(wù)調(diào)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(yīng)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(wù)即可。
2 實驗結(jié)果
　本實驗使用的CPU為OR1200，CPU和所有的外設(shè)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(wù)響應(yīng)時間是RTOS性能的一個重要指標(biāo)，其定義為：從任務(wù)中斷產(chǎn)生的時刻起，到恢復(fù)任務(wù)執(zhí)行之間的時間。試驗中，利用自定義的Timer作為測量標(biāo)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(wù)響應(yīng)時間的測試結(jié)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(wù)數(shù)的增加，任務(wù)響應(yīng)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(nèi)核在每個TimeTick中斷都要對任務(wù)的延時域進行順序更新。隨著任務(wù)的增加，延時域的處理時間也增長。有硬件加速支持時，任務(wù)響應(yīng)時間縮短，而且與正在運行的任務(wù)數(shù)量沒有關(guān)系。這是因為所有任務(wù)的延時域都同時更新，在一個時鐘周期內(nèi)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(yù)測性。可見，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(diào)用頻繁的任務(wù)調(diào)度和時間管理采用硬件實現(xiàn)，達(dá)到了降低系統(tǒng)負(fù)載、穩(wěn)定任務(wù)響應(yīng)時間、提高系統(tǒng)可預(yù)測性的目的。實驗結(jié)果表明，使用本硬件，任務(wù)中斷響應(yīng)時間可降低85.8%。
參考文獻(xiàn)
[1] KUACHAROEN P, SHALAN M, MOONEY V. A configurable hardware scheduler for real-time systems[C]. In International Conference on Engineering os Reconfigurables Systems and Algorithms, 2003.
[2] NORDSTROM S, LINDH L, JOHANSS L, et al. Application apecific real-time microkernel in hardware.Real Time Conference[C]. 14th IEEE-NPSS Volume, 2005.
[3] LAMPRET D, MLINAR M, WIEGELMANN J, et al. OpenRISC 1000 architecture manual[EB].http://www.opencores.org. 2006.
[4] LABROSSE J J著. 嵌入式實時操作系統(tǒng)?滋C/OS-II（第2版）[M]. 邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2003:7-12.
[5] 倪繼利，陳曦，李揮. CPU源代碼分析與芯片設(shè)計及Linux移植[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2007：42-64.