一種實時操作系統RTOS的硬件加速設計

　　摘 要： RTOS是嵌入式系統中重要的組成部分，但其本身的運行使整個系統的性能下降。針對RTOS的任務調度和時間延時處理部分進行分析，并加以硬件實現。在運行63個任務時，采用硬件加速模塊，任務響應時間為2 180個時鐘周期。相比沒有硬件支持的系統，任務響應時間可降低85.8%，提高了系統的可預測性。

　　隨著科技的進步，嵌入式系統的功能逐漸由簡單向復雜發展，開發難度也隨之提高。嵌入式操作系統的使用，屏蔽了部分硬件信息，提供給開發者統一的平臺，降低了開發難度，提高了代碼的重復利用率。在一些特殊的領域(醫療、汽車、航空航天)，對嵌入式系統的實時性要求非常高。在這些場合，任務必須在給定的時間內響應并正確完成。而實時操作系統RTOS(Real Time Operation System)本身的運行，必然會引起性能的下降，在任務數量增加時，這種下降更加明顯。例如，使用?滋C/OS-II實時操作系統在PowerPC處理器上運行，在TimeTick(時鐘節拍)周期為10 ?滋s、運行64個任務的情況下，TimeTick中斷函數占用的CPU時間已達到42%[1]。

　　目前,RTOS軟件層面的研究已經很成熟,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]。這對功耗相當敏感的嵌入式系統并不是好方法。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)設計專用于RTOS系統服務的硬件。硬件對相同的操作可并行處理。如果設計一種硬件，在任務數量或TimeTick頻率增加的情況下，系統也能在固定的時鐘周期內完成所有任務域的更新，從而降低RTOS運行所占的CPU時間。

　　本文設計了實時系統加速RTA(Real-Time Acceleration)模塊，對任務調度和系統時間管理進行硬件化，降低了任務中斷時間，并對最終的測量數據進行對比，得出結論。

　　1 RTA的硬件設計

　　本文的硬件平臺使用OR1200[3] CPU,它是一款由OpenCores網站維護的開放源代碼CPU,內部結構可見可修改,且沒有版權問題。RTA模塊作為從設備連接到Wishbone總線[4]上。在RTA模塊中，由硬件實現任務管理和時間管理。RTA中的寄存器全部映射到內存空間上，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)任務管理和時間管理部分。RTA模塊支持64個任務，使用基于優先級的調度策略，每個任務有唯一的優先級。RTA只在需要任務切換時才中斷CPU。時間延時的最小單位是TimeTick(時鐘節拍)，最長時間延時可達65 535個TimeTick；

　　(2)用于產生TimeTick信號的Timer(計時器)。RTA必須有獨立的Timer為其產生TimeTick信號。在本文中，利用OR1200自帶的Timer完成此工作。

　　本文使用的系統是在μC/OS-II實時操作系統基礎上改進實現的。該RTOS由Micrium網站維護，已經應用于商業產品[5]。整個軟硬件的實現在FPGA開發板DE2-70上完成，系統時鐘頻率為25 MHz。