μC/OS-II的實(shí)時(shí)系統(tǒng)加速模塊設(shè)計(jì)
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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(yùn)行頻率[2]。這對(duì)功耗相當(dāng)敏感的嵌入式系統(tǒng)并不是好方法。同時(shí)高頻時(shí)鐘所引起的電磁干擾對(duì)電路板布線的要求也更高；
(2)設(shè)計(jì)專用于RTOS系統(tǒng)服務(wù)的硬件。硬件對(duì)相同的操作可并行處理。如果設(shè)計(jì)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(shí)鐘周期內(nèi)完成所有任務(wù)域的更新，從而降低RTOS運(yùn)行所占的CPU時(shí)間。
本文設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)加速RTA(Real-Time Acceleration)模塊，對(duì)任務(wù)調(diào)度和系統(tǒng)時(shí)間管理進(jìn)行硬件化，降低了任務(wù)中斷時(shí)間，并對(duì)最終的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。
1 RTA的硬件設(shè)計(jì)
本文的硬件平臺(tái)使用OR1200[3] CPU,它是一款由OpenCores網(wǎng)站維護(hù)的開(kāi)放源代碼CPU,內(nèi)部結(jié)構(gòu)可見(jiàn)可修改,且沒(méi)有版權(quán)問(wèn)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(shí)現(xiàn)任務(wù)管理和時(shí)間管理。RTA中的寄存器全部映射到內(nèi)存空間上，軟件通過(guò)對(duì)寄存器的訪問(wèn)來(lái)控制RTA模塊的運(yùn)行。
該專用硬件可分成如下兩部分：
(1)任務(wù)管理和時(shí)間管理部分。RTA模塊支持64個(gè)任務(wù)，使用基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，每個(gè)任務(wù)有唯一的優(yōu)先級(jí)。RTA只在需要任務(wù)切換時(shí)才中斷CPU。時(shí)間延時(shí)的最小單位是TimeTick(時(shí)鐘節(jié)拍)，最長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)可達(dá)65 535個(gè)TimeTick；
(2)用于產(chǎn)生TimeTick信號(hào)的Timer(計(jì)時(shí)器)。RTA必須有獨(dú)立的Timer為其產(chǎn)生TimeTick信號(hào)。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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。該RTOS由Micrium網(wǎng)站維護(hù)，已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品[5]。整個(gè)軟硬件的實(shí)現(xiàn)在FPGA開(kāi)發(fā)板DE2-70上完成，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為25 MHz。
1.1 任務(wù)管理和時(shí)間管理
任務(wù)管理和時(shí)間管理的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
每個(gè)任務(wù)都有4個(gè)域：TaskValid、OSTCBStat、OSTCBDly和OSTCBStatPend。每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)任務(wù)就緒標(biāo)志TaskReady，RTA通過(guò)PrioBitmapToBinary模塊找到最高的優(yōu)先級(jí)并送給HighestPrio。在CPU響應(yīng)外部中斷或者給調(diào)度器上鎖時(shí),可以通過(guò)OSIntNesting和OSLockNesting寄存器關(guān)閉RTA的中斷。
μC/OS-II實(shí)時(shí)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(shí)間與運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量有關(guān)。在RTA模塊中，基于TimeTick的調(diào)度機(jī)制并沒(méi)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(shí)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(shí)現(xiàn)。
評(píng)論