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硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)信號(hào)量管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者: 時(shí)間:2011-02-16 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

隨著技術(shù)的發(fā)展,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operating System)被越來(lái)越多地應(yīng)用在系統(tǒng)中,但是對(duì)現(xiàn)有基于軟件實(shí)現(xiàn)的RTOS,單純依靠改進(jìn)調(diào)度算法已經(jīng)不能使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有很大提高。為提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力,國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)提出RTOS硬化的方法,并開始做這方面的研究工作[1]。目前,軟件硬化常用的有兩種方法:(1)微程序方式,特點(diǎn)是成本較低,方便靈活;(2)組合邏輯方式,特點(diǎn)是速度快、可靠性高,隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,這種方式逐漸顯示出優(yōu)越性[2]。信號(hào)量管理是RTOS中頻繁運(yùn)行的程序段之一,如果將這一部分用硬件實(shí)現(xiàn),對(duì)提高機(jī)器的速度將有很明顯的效果。本文采用組合邏輯方式參照μC/OS-II將信號(hào)量管理及ECB管理硬化到一片芯片上,作為獨(dú)立的模塊與處理器并行工作。

1 信號(hào)量管理的工作原理
μC/OS-II中信號(hào)量主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由兩部分組成:(1)信號(hào)量的計(jì)數(shù)值Cnt。當(dāng)數(shù)值為正時(shí)用于記錄可使用的資源數(shù),當(dāng)數(shù)值為負(fù),其絕對(duì)值表示等待當(dāng)前信號(hào)量的任務(wù)個(gè)數(shù);(2)等待該信號(hào)量的任務(wù)列表。信號(hào)量的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要申請(qǐng)一個(gè)ECB來(lái)存儲(chǔ)。一個(gè)任務(wù)或ISR可以通過ECB向另外的任務(wù)發(fā)信號(hào),一個(gè)任務(wù)可以等待另一個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)子程序給它發(fā)送信號(hào),多個(gè)任務(wù)可同時(shí)等待同一個(gè)事件的發(fā)生[3]。當(dāng)事件發(fā)生后,等待該事件的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài),觸發(fā)一次任務(wù)調(diào)度[3]。任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序都可以給ECB發(fā)信號(hào),對(duì)ECB進(jìn)行操作。

信號(hào)量管理的工作原理框圖如圖1所示。信號(hào)量管理模塊以及事件控制塊管理都是獨(dú)立于CPU的邏輯結(jié)構(gòu),都可以直接從數(shù)據(jù)總線上獲得數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理,在信號(hào)量管理模塊與ECB的存儲(chǔ)模塊間建立一條數(shù)據(jù)通路,在不增加總線負(fù)擔(dān)的情況下加快二者間的通信。這些硬件邏輯獨(dú)立于CPU工作,減少了CPU的工作,從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

2 信號(hào)量管理的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ECB的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
ECB是實(shí)現(xiàn)信號(hào)量管理的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),因此在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)量管理之前,要先完成ECB管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中ECB的結(jié)構(gòu)參照μC/OS-II中ECB的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。每個(gè)ECB存儲(chǔ)單元包含一個(gè)EventType(事件類型),用于標(biāo)記當(dāng)前ECB被分配給信號(hào)量、互斥型信號(hào)量、郵箱還是消息隊(duì)列;當(dāng)一個(gè)ECB被分配給信號(hào)量時(shí),Cnt做為信號(hào)量的計(jì)數(shù)器;ECB中的等待表lut用于存儲(chǔ)等待當(dāng)前信號(hào)量任務(wù)的優(yōu)先級(jí)(μC/OS-II中沒有兩個(gè)任務(wù)有相同的優(yōu)先級(jí))[3]。

ECB中等待表硬件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。等待表的結(jié)構(gòu)類似一個(gè)8行8列的矩陣,存儲(chǔ)單元編號(hào)從00~77。當(dāng)一個(gè)任務(wù)在申請(qǐng)當(dāng)前信號(hào)量而沒有獲得時(shí),應(yīng)將當(dāng)前任務(wù)設(shè)置為等待狀態(tài),令Wr有效,以申請(qǐng)?jiān)撔盘?hào)量任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為地址,進(jìn)行譯碼,選通相應(yīng)單元后再進(jìn)行寫1操作。例如,申請(qǐng)?jiān)撔盘?hào)量的任務(wù)優(yōu)先級(jí)Sid為111111時(shí),對(duì)其進(jìn)行譯碼,高三位行地址譯碼為10000000,低三位列地址譯碼為10000000,選中77單元向其寫入1,則優(yōu)先級(jí)為111111的任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)。若要將一個(gè)處于等待表中的任務(wù)刪除,令De有效,同樣,根據(jù)地址線選通某一存儲(chǔ)單元,向單元內(nèi)寫0,從而刪除某一處于等待狀態(tài)的任務(wù)。在控制電路中設(shè)置EventGrp 8位寄存器,用于記錄當(dāng)前各行中是否有等待任務(wù);如圖2所示,第i行中某一位置為1,EventGrp(i)=1,圖中狀態(tài)EventGrp(7)=1、EventGrp(6)=1、EventGrp(0)=0。Rd有效時(shí),控制電路根據(jù)EventGrp采用一定算法生成優(yōu)先級(jí)的高三位;根據(jù)EventGrp讀出某行后生成優(yōu)先級(jí)低三位;下一時(shí)鐘送出最高優(yōu)先級(jí)。以上為對(duì)等待表進(jìn)行基本讀寫操作的過程。

該硬件系統(tǒng)中ECB基本存儲(chǔ)單元通過調(diào)用系統(tǒng)的IP核來(lái)實(shí)現(xiàn),根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的不同,采用不同的IP核;多個(gè)基本單元通過一個(gè)上層文件生成一個(gè)ECB單元,每個(gè)單元再作為一個(gè)基本器件用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)ECB的存儲(chǔ)體。通過地址的譯碼選通ECB單元,根據(jù)控制信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)做讀寫操作。

2.2 創(chuàng)建/刪除一個(gè)信號(hào)量
ECB是公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量時(shí),首先需要申請(qǐng)一個(gè)ECB,初始化后才可以對(duì)這個(gè)信號(hào)量進(jìn)行P/V等操作;在刪除一個(gè)信號(hào)量后,要對(duì)信號(hào)量占用的ECB進(jìn)行釋放。創(chuàng)建信號(hào)量時(shí),信號(hào)量管理模塊首先要申請(qǐng)一個(gè)空ECB,查找ECB的整個(gè)存儲(chǔ)體判斷是否有空余的ECB。如果沒有空余ECB,則信號(hào)量管理模塊將獲得一個(gè)申請(qǐng)失敗信號(hào);否則將獲得一個(gè)空ECB的地址,并將其返回給創(chuàng)建該信號(hào)量的任務(wù);再根據(jù)地址初始化ECB[3]。如果用硬件實(shí)現(xiàn)信號(hào)量管理后,按照以上過程進(jìn)行操作會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)鐘,數(shù)據(jù)在模塊間來(lái)回傳送增加通信次數(shù),必然降低系統(tǒng)的執(zhí)行速度。針對(duì)這個(gè)問題,提出了在信號(hào)量管理模塊中設(shè)置一個(gè)用于記錄ECB使用情況的映射表,如圖3所示。為方便討論,假設(shè)系統(tǒng)中ECB有64個(gè)(可以根據(jù)系統(tǒng)中ECB的個(gè)數(shù)來(lái)改變表的大小),表的每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)ECB,當(dāng)某一位置為0時(shí)表示該位置對(duì)應(yīng)的ECB空閑,為1時(shí)表示該位置對(duì)應(yīng)的ECB被占用。如圖3所示,第1行、第8列為1,表示偏移地址為000111的ECB被占用;第2行、第2 列為1,偏移地址為010010的ECB被占用。

在創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量時(shí),查找ECB映射表,判斷是否有為0的位置。如果沒有則返回申請(qǐng)失?。环駝t尋找一個(gè)為0的位置,生成ECB的地址,返回給創(chuàng)建該信號(hào)量的任務(wù)。在映射表中相應(yīng)位置寫1表明該ECB已經(jīng)被占用,下一時(shí)鐘對(duì)申請(qǐng)到的ECB進(jìn)行初始化,寫入信號(hào)量初始值。在刪除一個(gè)信號(hào)量時(shí),首先根據(jù)信號(hào)量的ECB地址查詢映射表中對(duì)應(yīng)位置是否為0,如果為0,則表示該信號(hào)量已經(jīng)被其他任務(wù)刪除,返回刪除錯(cuò)誤;否則清除該信號(hào)量在映射表中的記錄,通知ECB管理模塊將等待該信號(hào)的所有任務(wù)置為就緒態(tài),觸發(fā)一次任務(wù)調(diào)度,清除ECB中的該信號(hào)量的所有信息。以上過程中不需要頻繁地去ECB管理模塊中進(jìn)行整體查詢,因此節(jié)省了大量的通信時(shí)間。

2.3 申請(qǐng)/釋放一個(gè)信號(hào)量(P/V操作)
信號(hào)量管理中的主要操作就是P/V操作,P/V操作實(shí)現(xiàn)的RTL圖如圖4所示。

(1)P操作(申請(qǐng)某個(gè)信號(hào)量)。令pend_sem有效,首先應(yīng)判斷申請(qǐng)信號(hào)量的任務(wù)是否為中斷服務(wù)程序(在μC/OS-II中,中斷服務(wù)程序不允許申請(qǐng)一個(gè)信號(hào)量),如果是則返回申請(qǐng)錯(cuò)誤信息(pend_err為高),否則進(jìn)行以下操作:令read_cnt有效去ECB管理模塊讀Cnt值;讀回后判斷Cnt的值。如果Cnt>0,當(dāng)前申請(qǐng)任務(wù)獲得該信號(hào)量,任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行,返回申請(qǐng)成功信號(hào)pend_err為低;否則pend_err為高阻,根據(jù)申請(qǐng)類型Pend_type(申請(qǐng)類型在μC/OS-II中分為有等待申請(qǐng)和無(wú)等待申請(qǐng))來(lái)決定是否修改Cnt值,是否將申請(qǐng)信號(hào)量的任務(wù)置為等待態(tài)。

(2)V操作(釋放某個(gè)信號(hào)量)。令post_sem有效,通過硬件電路使read_cnt有效,同時(shí)給出信號(hào)量的ECB地址,下一時(shí)鐘讀出Cnt值,并判斷;如果Cnt>0則表示沒有任務(wù)等待當(dāng)前信號(hào)量,修改Cnt值;如果Cnt0則表示當(dāng)前有任務(wù)等待該信號(hào)量,修改Cnt值,令select_h有效,從ECB任務(wù)等待表中找出優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù),通知任務(wù)管理器將該任務(wù)置為就緒態(tài),觸發(fā)一次任務(wù)調(diào)度。

3 功能仿真
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,采用ISE 8.2軟件對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行時(shí)序仿真。P/V操作仿真結(jié)果如圖5所示。P/V操作需要在兩個(gè)模塊之間進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù),操作過程中,P/V信號(hào)始終有效。



(1)pend_sem有效(P操作)。申請(qǐng)信號(hào)量任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為01,申請(qǐng)信號(hào)量的地址為05。pend_sem有效,令read_cnt為高,根據(jù)地址pend_addr讀當(dāng)前信號(hào)量的值Cnt,下一個(gè)時(shí)鐘返回?cái)?shù)值Cnt_in為0002,大于0;任務(wù)獲得信號(hào)量繼續(xù)執(zhí)行,wr_cnt為高,Cnt值進(jìn)行減1操作后送Cnt_out寫回ECB。

(2)post_sem有效(V操作)。根據(jù)地址讀Cnt值,Cnt值為FFFE0(Cnt值以補(bǔ)碼形式存儲(chǔ))。下一個(gè)時(shí)鐘Cnt進(jìn)行加1操作后寫回ECB,同時(shí)Select_h為高,從等待該信號(hào)量的任務(wù)列表中選擇出優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)設(shè)置為就緒態(tài),觸發(fā)一次任務(wù)調(diào)度。

(3)申請(qǐng)一個(gè)信號(hào)量。申請(qǐng)信號(hào)量任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為03,申請(qǐng)的信號(hào)量的地址為09。如果下一個(gè)時(shí)鐘讀回的Cnt值為FFFD0,并且申請(qǐng)類型為高(有等待申請(qǐng)),則修改Cnt值寫回,令wr_sid為高,將當(dāng)前申請(qǐng)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)送pend_prio_out寫入等待該信號(hào)的任務(wù)列表中。如果pend_err為高,則通知任務(wù)管理器將當(dāng)前申請(qǐng)信號(hào)量的任務(wù)阻塞,并觸發(fā)一次任務(wù)調(diào)度。

(4)申請(qǐng)一個(gè)信號(hào)量,讀回的Cnt值為FFFA0,但當(dāng)前申請(qǐng)類型為低(無(wú)等待申請(qǐng)),不進(jìn)行任何操作,返回申請(qǐng)失敗,通知任務(wù)管理器將當(dāng)前任務(wù)阻塞。

用戶程序在創(chuàng)建、刪除一個(gè)信號(hào)量以及申請(qǐng)某類共享資源進(jìn)行P/V操作時(shí),用軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)量管理中,一般先從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到系統(tǒng)態(tài),然后進(jìn)行基本數(shù)據(jù)的查詢、讀出、比較、判斷等,再轉(zhuǎn)相應(yīng)的程序入口,最后還要從系統(tǒng)態(tài)轉(zhuǎn)回用戶態(tài)。而用硬件實(shí)現(xiàn)信號(hào)量管理后進(jìn)行以上操作只需一條讀或?qū)懼噶睿⑶疫@條指令在用軟件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)量管理中也是必須的,其他操作都由硬件邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)化了操作過程。從仿真結(jié)果看,進(jìn)行P/V操作時(shí)只需要3個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍,整體的執(zhí)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軟件。同時(shí),RTOS中信號(hào)量的個(gè)數(shù)為多個(gè),信號(hào)量管理在RTOS中頻繁運(yùn)行。因此,硬化信號(hào)量管理后對(duì)整個(gè)機(jī)器速度的提高是非常明顯的,特別是對(duì)資源種類多、數(shù)量大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),速度的提高就會(huì)更加明顯。另一方面,由于硬件的可靠性遠(yuǎn)超過軟件的可靠性,所以硬化后可提高RTOS的可靠性。

參考文獻(xiàn)
[1] 崔建華,孫紅勝,王保進(jìn).硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用,2008(5):34-37.
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