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一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS的硬件加速設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2010-11-9 11:47    發(fā)布者:techshare
RTOS是嵌入式系統(tǒng)中重要的組成部分,但其本身的運(yùn)行使整個(gè)系統(tǒng)的性能下降。針對(duì)RTOS的任務(wù)調(diào)度和時(shí)間延時(shí)處理部分進(jìn)行分析,并加以硬件實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)行63個(gè)任務(wù)時(shí),采用硬件加速模塊,任務(wù)響應(yīng)時(shí)間為2 180個(gè)時(shí)鐘周期。相比沒(méi)有硬件支持的系統(tǒng),任務(wù)響應(yīng)時(shí)間可降低85.8%,提高了系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性。

隨著科技的進(jìn)步,嵌入式系統(tǒng)的功能逐漸由簡(jiǎn)單向復(fù)雜發(fā)展,開(kāi)發(fā)難度也隨之提高。嵌入式操作系統(tǒng)的使用,屏蔽了部分硬件信息,提供給開(kāi)發(fā)者統(tǒng)一的平臺(tái),降低了開(kāi)發(fā)難度,提高了代碼的重復(fù)利用率。在一些特殊的領(lǐng)域(醫(yī)療、汽車(chē)、航空航天),對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求非常高。在這些場(chǎng)合,任務(wù)必須在給定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)并正確完成。而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operation System)本身的運(yùn)行,必然會(huì)引起性能的下降,在任務(wù)數(shù)量增加時(shí),這種下降更加明顯。例如,使用?滋C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在PowerPC處理器上運(yùn)行,在TimeTick(時(shí)鐘節(jié)拍)周期為10 ?滋s、運(yùn)行64個(gè)任務(wù)的情況下,TimeTick中斷函數(shù)占用的CPU時(shí)間已達(dá)到42%。

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。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(zhuān)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 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(zhuān)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。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)。

當(dāng)有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生RTA中斷。硬件實(shí)現(xiàn)上,當(dāng)進(jìn)入就緒態(tài)的上個(gè)時(shí)鐘周期的最高優(yōu)先級(jí)和本時(shí)刻的最高優(yōu)先級(jí)不同時(shí),便產(chǎn)生中斷信號(hào)。在μC/OS-II中,每個(gè)TimeTick時(shí)刻都會(huì)發(fā)生中斷,這就需要更頻繁地保存CPU寄存器,相比本文提出的方法,浪費(fèi)了更多的CPU時(shí)間。

1.2 TimeTick信號(hào)的產(chǎn)生

RTA的運(yùn)行需要一個(gè)可配置的Timer來(lái)為其產(chǎn)生TimeTick信號(hào)。在本文中,通過(guò)對(duì)OR1200進(jìn)行改造,利用其內(nèi)部的Timer產(chǎn)生中斷信號(hào)作為RTA任務(wù)調(diào)度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘節(jié)拍,而將RTA的中斷信號(hào)連接到原來(lái)Timer在CPU的接口處。這樣,CPU通過(guò)Wishbone總線可對(duì)Timer進(jìn)行讀寫(xiě),且RTA產(chǎn)生的中斷不會(huì)占用可編程中斷控制器PIC(Programmable Interrupt Controller)。改造后的框圖如圖2所示。




1.3 軟件實(shí)現(xiàn)

因?yàn)槿蝿?wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變,源碼中所有涉及到任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)都要進(jìn)行修改。由于任務(wù)調(diào)度和時(shí)間處理由RTA模塊執(zhí)行,原先執(zhí)行TimeTick的中斷函數(shù)要作相應(yīng)修改,在中斷時(shí),只需讀取RTA中HighestPrio寄存器,然后做上下文切換,運(yùn)行該優(yōu)先級(jí)的任務(wù)即可。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)使用的CPU為OR1200,CPU和所有的外設(shè)都通過(guò)Wishbone總線連接,系統(tǒng)時(shí)鐘為25 MHz。在Altera的Cyclone II FPGA平臺(tái)上,使用Quartus 8.1工具對(duì)RTA進(jìn)行布局布線,其共占用4 197個(gè)邏輯單元LE(Logic Element)。

任務(wù)響應(yīng)時(shí)間是RTOS性能的一個(gè)重要指標(biāo),其定義為:從任務(wù)中斷產(chǎn)生的時(shí)刻起,到恢復(fù)任務(wù)執(zhí)行之間的時(shí)間。試驗(yàn)中,利用自定義的Timer作為測(cè)量標(biāo)尺,在2個(gè)測(cè)試點(diǎn)各讀取一次,相減后的數(shù)值再乘以此Timer的周期,便得到該段測(cè)試時(shí)間。圖3是有硬件加速和無(wú)硬件加速的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果,單位是系統(tǒng)時(shí)鐘周期。

從圖中3可以看出,在無(wú)硬件支持的RTOS中,隨著任務(wù)數(shù)的增加,任務(wù)響應(yīng)時(shí)間也隨之呈線性增加。其原因是,程序順序執(zhí)行,在無(wú)硬件加速的情況下,RTOS內(nèi)核在每個(gè)TimeTick中斷都要對(duì)任務(wù)的延時(shí)域進(jìn)行順序更新。隨著任務(wù)的增加,延時(shí)域的處理時(shí)間也增長(zhǎng)。有硬件加速支持時(shí),任務(wù)響應(yīng)時(shí)間縮短,而且與正在運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量沒(méi)有關(guān)系。這是因?yàn)樗腥蝿?wù)的延時(shí)域都同時(shí)更新,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)即可全部完成。所以使用RTA模塊后,降低了系統(tǒng)本身占用CPU的時(shí)間,提高了系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性。可見(jiàn),在添加RTA模塊后RTOS的性能得到了提高。





本文將μC/OS-II系統(tǒng)中調(diào)用頻繁的任務(wù)調(diào)度和時(shí)間管理采用硬件實(shí)現(xiàn),達(dá)到了降低系統(tǒng)負(fù)載、穩(wěn)定任務(wù)響應(yīng)時(shí)間、提高系統(tǒng)可預(yù)測(cè)性的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用本硬件,任務(wù)中斷響應(yīng)時(shí)間可降低85.8%。
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