μC/OS-II的實時系統(tǒng)加速模塊設(shè)計
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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)。
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