基于FPGA的μC/OS-II任務管理硬件設計

實時操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operating System)由于具有調(diào)度的實時性、響應時間的可確定性、系統(tǒng)高度的可靠性等特點，被越來越多地應用在嵌入式系統(tǒng)中，如：航空航天、工業(yè)控制、汽車電子和核電站建設等眾多領域。

傳統(tǒng)上，RTOS內(nèi)核是加在應用程序中的軟件，它不僅增加了ROM（代碼空間）和RAM（數(shù)據(jù)空間）的開銷，而且增加了應用程序的額外負荷，即使在設計較好的應用系統(tǒng)中內(nèi)核仍占用2%~5%的CPU負荷[1]。在實時性較強的場合，若無法得到及時的響應，將會引起嚴重后果。因此，降低RTOS內(nèi)核的系統(tǒng)開銷及提高其實時性非常重要。

對于降低RTOS占用應用程序處理器開銷的研究，大多數(shù)集中在改進調(diào)度算法[2]和提高處理器的處理能力[3]，但是依靠改進調(diào)度算法已不能使其實時性有更大的提高，通過提高處理器速度也達不到理想的效果。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展及硬件芯片造價的降低，“軟件硬件化”的趨勢正在成為一個研究的新熱點。采用硬件芯片實現(xiàn)RTOS的功能模塊極大地發(fā)揮了系統(tǒng)處理的并行特性，使硬件RTOS的處理速度達到了傳統(tǒng)軟件RTOS的6~50倍[4]。然而，RTOS的硬件化非常復雜、繁瑣，大多由軟件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不適合硬件的并行實現(xiàn)，需要重新修改、設計。

本文就具體的實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的任務管理進行了硬件設計，實現(xiàn)了任務管理模塊系統(tǒng)調(diào)用的硬件電路和基于組合電路的硬件任務調(diào)度器。

1 硬件RTOS總體設計

硬件RTOS由軟件和硬件兩部分組成，如圖1所示。軟件部分負責應用程序與硬件RTOS的交互，主要實現(xiàn)2點功能：向應用程序提供訪問硬件函數(shù)的接口；向硬件邏輯提供返回處理結(jié)果的中斷處理函數(shù)和任務切換的中斷處理函數(shù)。硬件部分將以往由底層軟件函數(shù)完成的工作，采用硬件函數(shù)完成。

硬件RTOS仍然是以系統(tǒng)調(diào)用的形式為應用程序服務，所不同的是由調(diào)用硬件函數(shù)替代了以往的軟件函數(shù)。軟件函數(shù)和硬件函數(shù)的區(qū)別[5]在于：它們被處理時所在的器件不同，軟件函數(shù)編譯成一條條指令在處理器上執(zhí)行，硬件函數(shù)把參數(shù)通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送到了指定硬件單元電路的寄存器中，再由硬件邏輯電路進行相應的處理。硬件電路與處理器可以并行工作，節(jié)省的處理器時間用于執(zhí)行別的任務，提高了系統(tǒng)的可調(diào)度性。

圖1中，硬件部分由輸入輸出寄存器、中斷控制器、控制器和RTOS主要功能模塊等組成。

　　(1)輸入輸出寄存器。輸入寄存器接收由接口函數(shù)傳遞的功能代碼和參數(shù)，輸出寄存器將執(zhí)行結(jié)果返回給接口函數(shù)。

　　(2)中斷控制器。接收外部事件中斷，中斷控制器使用FPGA的I/O(輸入/輸出)管腳，每個管腳對應一個外部中斷，一個或者多個外部中斷對應一個中斷處理任務[6]。當外部中斷到來時，相應的事件標志位被置位，中斷任務被置為就緒態(tài)。

　　(3)控制器。從事件控制塊和信號量控制塊獲知任務的狀態(tài)，結(jié)合系統(tǒng)調(diào)用的功能代碼和參數(shù)信息，確定將要執(zhí)行的操作并發(fā)出控制信號。每個硬件單元都通過CPU發(fā)出的控制信號進行工作。

RTOS主要功能模塊包括：事件標志組管理、信號量管理、任務管理及時鐘管理。

　　(1)事件標志組管理。事件標志組是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用FPGA的片內(nèi)寄存器實現(xiàn)，每個事件占1 bit。任務或中斷服務可以將某一位置位或復位。當任務所需要的事件發(fā)生時，則將相應的事件位置位；當任務所等待的事件都發(fā)生時，則應向控制器提出改變?nèi)蝿諣顟B(tài)的相應申請，同時將任務的ID號送給任務管理模塊。

　　(2)信號量管理。信號量由2部分組成：16 bit的無符號整型的計數(shù)值（0~65535）；等待該信號量的任務組成的等待任務表。采用可預置的雙向計數(shù)器（up/down）實現(xiàn)計數(shù)值部分，采用FPGA片內(nèi)的寄存器實現(xiàn)該信號量的等待任務表。寄存器的位數(shù)對應系統(tǒng)中的任務數(shù)，每個任務占1 bit，且初始值為0（表示沒有任務等待該信號量）。等待該信號量的任務將寄存器的相應位置1，釋放該信號量的任務喚醒優(yōu)先級較高的等待任務，將寄存器的相應位置0。每發(fā)生一次置位或復位操作，也必須向控制器提出改變?nèi)蝿諣顟B(tài)的相應申請，同時將相應任務的ID號送給任務管理模塊。

　　(3)任務管理。負責各種任務狀態(tài)的切換和任務調(diào)度。任務管理模塊接收從輸入寄存器、事件標志組管理模塊或信號量管理模塊傳遞來的任務ID號，在控制器的相應控制信號作用下，執(zhí)行任務狀態(tài)的切換。調(diào)度器以任務的狀態(tài)為敏感信號，當任務的狀態(tài)發(fā)生改變時，觸發(fā)調(diào)度器執(zhí)行一次任務調(diào)度，找出當前優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務。若其優(yōu)先級高于當前正在運行的任務的優(yōu)先級，則向CPU發(fā)出硬件中斷處理信號。

　　(4)定時器管理。主要實現(xiàn)任務的延時，當設置的延時時間到且任務沒有等待別的資源時，將任務的狀態(tài)置為就緒。

由圖1可知，硬件RTOS的工作過程如下：

　　(1)在應用程序中調(diào)用系統(tǒng)服務。

　　(2)系統(tǒng)調(diào)用的接口函數(shù)將功能代碼和參數(shù)傳給硬件部分的輸入寄存器。

　　(3)硬件部分執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用。

　　(4)在硬件邏輯執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的過程中，可以接收外部事件的異步請求，因此，硬件部分執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用過程中可能轉(zhuǎn)向以下不同的處理過程：

　?、偃敉獠渴录埱笫怪袛嗳蝿站途w，則向處理器發(fā)出要求任務切換的硬件中斷請求。

　　②若系統(tǒng)調(diào)用使高優(yōu)先級的任務就緒，則硬件部分向處理器發(fā)出要求任務切換的硬件中斷請求。

　?、塾布糠滞瓿上到y(tǒng)調(diào)用功能，則采用中斷形式通知處理器并回送處理結(jié)果。

　　(5)中斷處理函數(shù)完成任務切換。

　　(6)處理器執(zhí)行新任務。

2 μC/OS-II任務管理硬件設計

任務管理是RTOS的核心，本文首先對μC/OS-II任務管理模塊進行了硬件設計，其他的模塊可以依托任務管理展開。μC/OS-II任務管理主要包括建立任務、刪除任務、掛起任務、恢復任務、查詢?nèi)蝿蘸腿蝿照{(diào)度等。其中建立任務、刪除任務、掛起任務、恢復任務和查詢?nèi)蝿帐峭ㄟ^系統(tǒng)調(diào)用形式交給用戶調(diào)用的；而任務調(diào)度是交給系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用的，用戶不能直接調(diào)用它。因此，本文將任務管理分成系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的硬件實現(xiàn)和任務調(diào)度器硬件實現(xiàn)2部分。

2.1 任務管理系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的硬件設計

μC/OS-II的任務由3部分組成：即任務程序代碼、任務堆棧、任務控制塊TCB(Task Control Block)。TCB把任務代碼和任務堆棧進行關(guān)聯(lián)而使三者成為一個整體。

任務管理系統(tǒng)調(diào)用的硬件實現(xiàn)電路如圖2所示。參數(shù)1是建立任務時，寫入TCB的任務代碼段地址、任務優(yōu)先級、任務的參數(shù)指針和分配給任務的堆棧棧頂指針等任務運行和管理的信息；參數(shù)2是分配給任務的ID號。每個任務依據(jù)任務的ID號對應一個TCB。

在圖2中，任務管理系統(tǒng)調(diào)用的硬件實現(xiàn)電路主要由分配器、選擇器和TCB寄存器組成。

　　(1)分配器。建立任務和刪除任務時，分配器根據(jù)任務的ID號選擇建立任務的信息送到對應的輸出通道上，分配器的輸出端與多路選擇器的一路輸入端直連，即參數(shù)1被送到了選擇器的輸入端，作為一路輸入。掛起任務和恢復任務時，分配器根據(jù)任務的ID號，將任務的狀態(tài)送到對應TCB的狀態(tài)寄存器中。

　　(2)選擇器。選擇器的輸入端分別是建立任務時要送給 TCB的數(shù)據(jù)（參數(shù)1）和刪除任務時要送給TCB的數(shù)據(jù)（系統(tǒng)初始值），數(shù)據(jù)輸出端與一個TCB塊直連。建立信號有效時，選擇參數(shù)1寫入TCB，建立任務完成；否則，寫入系統(tǒng)的初始值覆蓋TCB信息，即任務被刪除。掛起和恢復任務只需根據(jù)任務的ID號找到相應的TCB并修改其狀態(tài)寄存器的值。二值選擇器的輸入端是0和1，可以分別表示任務的等待和就緒狀態(tài)。

　　(3)TCB寄存器。在軟件實現(xiàn)的RTOS中，空閑TCB塊和已占用的TCB塊分別以空閑任務鏈表和任務鏈表的形式常駐內(nèi)存。但是基于鏈表的軟件算法并不適合直接采用硬件高效實現(xiàn)，因為只有讀取鏈表的前一個表項的內(nèi)容后，才能獲得后續(xù)表項的地址，限制了硬件并行的開發(fā)。因此，本文將TCB的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)全部采用片內(nèi)的寄存器資源實現(xiàn)，從而節(jié)省了鏈表的查找時間，提高了系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行效率。

2.2 任務調(diào)度器的硬件設計

μC/OS-II進行任務調(diào)度的思想是，每時每刻總是讓優(yōu)先級最高的就緒任務處于運行狀態(tài)。為了實現(xiàn)高效的調(diào)度算法，采用組合電路實現(xiàn)硬件調(diào)度器，如圖3所示。以優(yōu)先級為選擇條件，將TCB中的狀態(tài)寄存器直接與調(diào)度器相連接。這樣，只要任務的優(yōu)先級或任務的狀態(tài)有一個發(fā)生改變，就會立刻引發(fā)一次任務的的重新調(diào)度。

圖3中，數(shù)據(jù)分配器與TCB寄存器中的狀態(tài)寄存器RDY輸出端直連，使用優(yōu)先級PRI作為選擇條件，將RDY的就緒態(tài)（RDY=‘1’）分配到不同的輸出通道上。寄存器REG_X接收數(shù)據(jù)分配器輸出通道的輸出值并按位存儲。將所有的REG_X寄存器按位進行或運算，結(jié)果送寄存器PRI_REG。如圖4所示，優(yōu)先級寄存器PRI_REG的位數(shù)對應系統(tǒng)中任務的個數(shù)，寄存器PRI_REG某位為1就表示相應優(yōu)先級的任務處于就緒態(tài)，且低位的優(yōu)先級依次高于高位的優(yōu)先級。譯碼器從寄存器讀取PRI_REG的值進行譯碼，送出處于就緒態(tài)且優(yōu)先級最高的任務。比較器PRI_COMP以任務的ID號為索引，任務的優(yōu)先級PRI為比較內(nèi)容。將每個任務的優(yōu)先級與譯碼找到的就緒態(tài)的最高優(yōu)先級相比較，若相同，則輸出任務的ID號，否則輸出0。最后將所有比較器PRI_COMP的輸出做或運算，即得到處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高任務的ID號。

假設在某一時刻，系統(tǒng)中優(yōu)先級PRI為1、2、3、6和7的任務處于就緒態(tài)，對應任務的ID號分別是010、100、001、110和111，則調(diào)度器中的數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

2.3 仿真及實驗結(jié)果

整個設計采用VHDL硬件語言描述。為了驗證該硬件實現(xiàn)的正確性和高效性，使用 ISE 8.2軟件進行時序仿真驗證。任務管理硬件實現(xiàn)的功能仿真如圖6所示。

(1)建立任務。依次建立3個任務，優(yōu)先級與ID號相同分別為7、1和6。若系統(tǒng)中只有優(yōu)先級為7的任務處于就緒態(tài)，則Next_task_id為7；當建立了優(yōu)先級為1的任務時，高優(yōu)先級任務剝奪低優(yōu)先級任務的CPU使用權(quán)，Next_task_id為1，直到有更高優(yōu)先級的任務到來，或任務自身刪除，優(yōu)先級為1的任務將一直執(zhí)行。

(2)查詢?nèi)蝿?。處理器通過查詢?nèi)蝿者@個系統(tǒng)調(diào)用獲得任務自身或其他應用任務的信息，查詢即將TCB的內(nèi)容輸出。

(3)掛起任務。掛起優(yōu)先級為1的任務，則優(yōu)先級為6的任務開始執(zhí)行。掛起的任務處于等待狀態(tài)，只有通過調(diào)用任務恢復函數(shù)才能恢復。

(4)建立任務。建立優(yōu)先級分別為5、2和4的3個任務。優(yōu)先級為5的任務剝奪優(yōu)先級為6的任務的CPU使用權(quán)，優(yōu)先級為2的任務又剝奪優(yōu)先級為5的任務的CPU使用權(quán)開始執(zhí)行，優(yōu)先級為4的任務等待。

(5)刪除任務。刪除了優(yōu)先級為2的任務，此刻系統(tǒng)中優(yōu)先級為4的任務開始執(zhí)行。

(6)恢復任務。恢復優(yōu)先級為1的任務，優(yōu)先級為1的任務剝奪優(yōu)先級為4的任務的CPU使用權(quán)又重新開始執(zhí)行。

從圖6可以看出，硬件實現(xiàn)可以高效完成操作系統(tǒng)任務管理的系統(tǒng)調(diào)用的功能。建立任務和刪除任務需要3個時鐘節(jié)拍，掛起任務、恢復任務和查詢?nèi)蝿盏臓顟B(tài)需要1個時鐘節(jié)拍。任務調(diào)度是實時的，只要任務的狀態(tài)或優(yōu)先級有一個發(fā)生改變，就立刻重新調(diào)度。該設計所消耗的邏輯資源較少，降低了開發(fā)成本，使其集成組件成為可能。

本文針對傳統(tǒng)實時操作系統(tǒng)內(nèi)核占用系統(tǒng)資源、影響系統(tǒng)實時性的問題，提出了用單獨的硬件電路實現(xiàn)實時操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)調(diào)用和任務調(diào)度器的方案。重點給出了采用FPGA實現(xiàn)μC/OS-Ⅱ任務管理模塊的過程。仿真結(jié)果表明，任務管理的硬件實現(xiàn)保持了系統(tǒng)調(diào)用的正確性，同時減少了系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行時間、降低了處理器系統(tǒng)開銷。因此，硬件RTOS的實現(xiàn)，具有一定研究和使用價值。