基于FPGA的μC/OS-II任務(wù)管理硬件設(shè)計(jì)

李 巖，崔曉英，李賢堯，趙宏杰，程 平，張禮勇

(哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RTOS(Real Time Operating System)由于具有調(diào)度的實(shí)時(shí)性、響應(yīng)時(shí)間的可確定性、系統(tǒng)高度的可靠性等特點(diǎn)，被越來(lái)越多地應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，如：航空航天、工業(yè)控制、汽車(chē)電子和核電站建設(shè)等眾多領(lǐng)域。

傳統(tǒng)上，RTOS內(nèi)核是加在應(yīng)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(kāi)銷(xiāo)，而且增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷，即使在設(shè)計(jì)較好的應(yīng)用系統(tǒng)中內(nèi)核仍占用2%～5%的CPU負(fù)荷[1]。在實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的場(chǎng)合，若無(wú)法得到及時(shí)的響應(yīng)，將會(huì)引起嚴(yán)重后果。因此，降低RTOS內(nèi)核的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)及提高其實(shí)時(shí)性非常重要。

對(duì)于降低RTOS占用應(yīng)用程序處理器開(kāi)銷(xiāo)的研究，大多數(shù)集中在改進(jìn)調(diào)度算法[2]和提高處理器的處理能力[3]，但是依靠改進(jìn)調(diào)度算法已不能使其實(shí)時(shí)性有更大的提高，通過(guò)提高處理器速度也達(dá)不到理想的效果。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展及硬件芯片造價(jià)的降低，“軟件硬件化”的趨勢(shì)正在成為一個(gè)研究的新熱點(diǎn)。采用硬件芯片實(shí)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(dá)到了傳統(tǒng)軟件RTOS的6～50倍[4]。然而，RTOS的硬件化非常復(fù)雜、繁瑣，大多由軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不適合硬件的并行實(shí)現(xiàn)，需要重新修改、設(shè)計(jì)。

本文就具體的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的任務(wù)管理進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)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(wù)調(diào)度器。

1 硬件RTOS總體設(shè)計(jì)

硬件RTOS由軟件和硬件兩部分組成，如圖1所示。軟件部分負(fù)責(zé)應(yīng)用程序與硬件RTOS的交互，主要實(shí)現(xiàn)2點(diǎn)功能：向應(yīng)用程序提供訪問(wèn)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(wù)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(yīng)用程序服務(wù)，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(shí)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(guò)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(jìn)行相應(yīng)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(shí)間用于執(zhí)行別的任務(wù)，提高了系統(tǒng)的可調(diào)度性。

圖1 硬件RTOS結(jié)構(gòu)框圖

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(gè)管腳對(duì)應(yīng)一個(gè)外部中斷，一個(gè)或者多個(gè)外部中斷對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷處理任務(wù)[6]。當(dāng)外部中斷到來(lái)時(shí)，相應(yīng)的事件標(biāo)志位被置位，中斷任務(wù)被置為就緒態(tài)。

(3)控制器。從事件控制塊和信號(hào)量控制塊獲知任務(wù)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(hào)。每個(gè)硬件單元都通過(guò)CPU發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行工作。

RTOS主要功能模塊包括：事件標(biāo)志組管理、信號(hào)量管理、任務(wù)管理及時(shí)鐘管理。

(1)事件標(biāo)志組管理。事件標(biāo)志組是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用FPGA的片內(nèi)寄存器實(shí)現(xiàn)，每個(gè)事件占1 bit。任務(wù)或中斷服務(wù)可以將某一位置位或復(fù)位。當(dāng)任務(wù)所需要的事件發(fā)生時(shí)，則將相應(yīng)的事件位置位；當(dāng)任務(wù)所等待的事件都發(fā)生時(shí)，則應(yīng)向控制器提出改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài)的相應(yīng)申請(qǐng)，同時(shí)將任務(wù)的ID號(hào)送給任務(wù)管理模塊。

(2)信號(hào)量管理。信號(hào)量由 2部分組成：16 bit的無(wú)符號(hào)整型的計(jì)數(shù)值（0～65535）；等待該信號(hào)量的任務(wù)組成的等待任務(wù)表。采用可預(yù)置的雙向計(jì)數(shù)器（up/down）實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)值部分，采用FPGA片內(nèi)的寄存器實(shí)現(xiàn)該信號(hào)量的等待任務(wù)表。寄存器的位數(shù)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)，每個(gè)任務(wù)占1 bit，且初始值為 0（表示沒(méi)有任務(wù)等待該信號(hào)量）。等待該信號(hào)量的任務(wù)將寄存器的相應(yīng)位置1，釋放該信號(hào)量的任務(wù)喚醒優(yōu)先級(jí)較高的等待任務(wù)，將寄存器的相應(yīng)位置0。每發(fā)生一次置位或復(fù)位操作，也必須向控制器提出改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài)的相應(yīng)申請(qǐng)，同時(shí)將相應(yīng)任務(wù)的ID號(hào)送給任務(wù)管理模塊。

(3)任務(wù)管理。負(fù)責(zé)各種任務(wù)狀態(tài)的切換和任務(wù)調(diào)度。任務(wù)管理模塊接收從輸入寄存器、事件標(biāo)志組管理模塊或信號(hào)量管理模塊傳遞來(lái)的任務(wù)ID號(hào)，在控制器的相應(yīng)控制信號(hào)作用下，執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)的切換。調(diào)度器以任務(wù)的狀態(tài)為敏感信號(hào)，當(dāng)任務(wù)的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，觸發(fā)調(diào)度器執(zhí)行一次任務(wù)調(diào)度，找出當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的就緒態(tài)任務(wù)。若其優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，則向CPU發(fā)出硬件中斷處理信號(hào)。

(4)定時(shí)器管理。主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)的延時(shí)，當(dāng)設(shè)置的延時(shí)時(shí)間到且任務(wù)沒(méi)有等待別的資源時(shí)，將任務(wù)的狀態(tài)置為就緒。

由圖1可知，硬件RTOS的工作過(guò)程如下：

(1)在應(yīng)用程序中調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)。

(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(guò)程中，可以接收外部事件的異步請(qǐng)求，因此，硬件部分執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用過(guò)程中可能轉(zhuǎn)向以下不同的處理過(guò)程：

①若外部事件請(qǐng)求使中斷任務(wù)就緒，則向處理器發(fā)出要求任務(wù)切換的硬件中斷請(qǐng)求。

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

③硬件部分完成系統(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(wù)切換。

(6)處理器執(zhí)行新任務(wù)。

2 μC/OS-II任務(wù)管理硬件設(shè)計(jì)

任務(wù)管理是RTOS的核心，本文首先對(duì)μC/OS-II任務(wù)管理模塊進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，其他的模塊可以依托任務(wù)管理展開(kāi)。μC/OS-II任務(wù)管理主要包括建立任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、恢復(fù)任務(wù)、查詢?nèi)蝿?wù)和任務(wù)調(diào)度等。其中建立任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、恢復(fù)任務(wù)和查詢?nèi)蝿?wù)是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用形式交給用戶調(diào)用的；而任務(wù)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(wù)管理分成系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)和任務(wù)調(diào)度器硬件實(shí)現(xiàn)2部分。

2.1 任務(wù)管理系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的硬件設(shè)計(jì)

μC/OS-II的任務(wù)由3部分組成：即任務(wù)程序代碼、任務(wù)堆棧、任務(wù)控制塊 TCB(Task Control Block)。TCB把任務(wù)代碼和任務(wù)堆棧進(jìn)行關(guān)聯(lián)而使三者成為一個(gè)整體。

任務(wù)管理系統(tǒng)調(diào)用的硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。參數(shù)1是建立任務(wù)時(shí)，寫(xiě)入TCB的任務(wù)代碼段地址、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、任務(wù)的參數(shù)指針和分配給任務(wù)的堆棧棧頂指針等任務(wù)運(yùn)行和管理的信息；參數(shù)2是分配給任務(wù)的ID號(hào)。每個(gè)任務(wù)依據(jù)任務(wù)的ID號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)TCB。

在圖2中，任務(wù)管理系統(tǒng)調(diào)用的硬件實(shí)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(wù)和刪除任務(wù)時(shí)，分配器根據(jù)任務(wù)的ID號(hào)選擇建立任務(wù)的信息送到對(duì)應(yīng)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(wù)和恢復(fù)任務(wù)時(shí)，分配器根據(jù)任務(wù)的ID號(hào)，將任務(wù)的狀態(tài)送到對(duì)應(yīng)TCB的狀態(tài)寄存器中。

圖2 系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)電路圖

(2)選擇器。選擇器的輸入端分別是建立任務(wù)時(shí)要送給 TCB的數(shù)據(jù)（參數(shù)1）和刪除任務(wù)時(shí)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(gè)TCB塊直連。建立信號(hào)有效時(shí)，選擇參數(shù)1寫(xiě)入TCB，建立任務(wù)完成；否則，寫(xiě)入系統(tǒng)的初始值覆蓋TCB信息，即任務(wù)被刪除。掛起和恢復(fù)任務(wù)只需根據(jù)任務(wù)的ID號(hào)找到相應(yīng)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(wù)的等待和就緒狀態(tài)。

(3)TCB寄存器。在軟件實(shí)現(xiàn)的RTOS中，空閑TCB塊和已占用的TCB塊分別以空閑任務(wù)鏈表和任務(wù)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(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹挥凶x取鏈表的前一個(gè)表項(xiàng)的內(nèi)容后，才能獲得后續(xù)表項(xiàng)的地址，限制了硬件并行的開(kāi)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(shí)現(xiàn)，從而節(jié)省了鏈表的查找時(shí)間，提高了系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行效率。

2.2 任務(wù)調(diào)度器的硬件設(shè)計(jì)

μC/OS-II進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的思想是，每時(shí)每刻總是讓優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)高效的調(diào)度算法，采用組合電路實(shí)現(xiàn)硬件調(diào)度器，如圖3所示。以優(yōu)先級(jí)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(wù)的優(yōu)先級(jí)或任務(wù)的狀態(tài)有一個(gè)發(fā)生改變，就會(huì)立刻引發(fā)一次任務(wù)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(jí)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(chǔ)。將所有的REG_X寄存器按位進(jìn)行或運(yùn)算，結(jié)果送寄存器PRI_REG。如圖4所示，優(yōu)先級(jí)寄存器PRI_REG的位數(shù)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中任務(wù)的個(gè)數(shù)，寄存器PRI_REG某位為1就表示相應(yīng)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)處于就緒態(tài)，且低位的優(yōu)先級(jí)依次高于高位的優(yōu)先級(jí)。譯碼器從寄存器讀取PRI_REG的值進(jìn)行譯碼，送出處于就緒態(tài)且優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。比較器PRI_COMP以任務(wù)的ID號(hào)為索引，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)PRI為比較內(nèi)容。將每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)與譯碼找到的就緒態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)相比較，若相同，則輸出任務(wù)的ID號(hào)，否則輸出0。最后將所有比較器PRI_COMP的輸出做或運(yùn)算，即得到處于就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)的ID號(hào)。

假設(shè)在某一時(shí)刻，系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí) PRI為 1、2、3、6和7的任務(wù)處于就緒態(tài)，對(duì)應(yīng)任務(wù)的ID號(hào)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。

圖4 優(yōu)先級(jí)寄存器PRI_REG

2.3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)設(shè)計(jì)采用VHDL硬件語(yǔ)言描述。為了驗(yàn)證該硬件實(shí)現(xiàn)的正確性和高效性，使用ISE 8.2軟件進(jìn)行時(shí)序仿真驗(yàn)證。任務(wù)管理硬件實(shí)現(xiàn)的功能仿真如圖6所示。

(1)建立任務(wù)。依次建立3個(gè)任務(wù)，優(yōu)先級(jí)與ID號(hào)相同分別為7、1和6。若系統(tǒng)中只有優(yōu)先級(jí)為7的任務(wù)處于就緒態(tài)，則Next_task_id為7；當(dāng)建立了優(yōu)先級(jí)為1的任務(wù)時(shí)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)剝奪低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)，Next_task_id為 1，直到有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)到來(lái)，或任務(wù)自身刪除，優(yōu)先級(jí)為1的任務(wù)將一直執(zhí)行。

(2)查詢?nèi)蝿?wù)。處理器通過(guò)查詢?nèi)蝿?wù)這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用獲得任務(wù)自身或其他應(yīng)用任務(wù)的信息，查詢即將TCB的內(nèi)容輸出。

(3)掛起任務(wù)。掛起優(yōu)先級(jí)為1的任務(wù)，則優(yōu)先級(jí)為6的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。掛起的任務(wù)處于等待狀態(tài)，只有通過(guò)調(diào)用任務(wù)恢復(fù)函數(shù)才能恢復(fù)。

(4)建立任務(wù)。建立優(yōu)先級(jí)分別為5、2和4的3個(gè)任務(wù)。優(yōu)先級(jí)為5的任務(wù)剝奪優(yōu)先級(jí)為6的任務(wù)的CPU使用權(quán)，優(yōu)先級(jí)為2的任務(wù)又剝奪優(yōu)先級(jí)為5的任務(wù)的CPU使用權(quán)開(kāi)始執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)為4的任務(wù)等待。

(5)刪除任務(wù)。刪除了優(yōu)先級(jí)為2的任務(wù)，此刻系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)為4的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。

(6)恢復(fù)任務(wù)?；謴?fù)優(yōu)先級(jí)為1的任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為1的任務(wù)剝奪優(yōu)先級(jí)為4的任務(wù)的CPU使用權(quán)又重新開(kāi)始執(zhí)行。

從圖6可以看出，硬件實(shí)現(xiàn)可以高效完成操作系統(tǒng)任務(wù)管理的系統(tǒng)調(diào)用的功能。建立任務(wù)和刪除任務(wù)需要3個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，掛起任務(wù)、恢復(fù)任務(wù)和查詢?nèi)蝿?wù)的狀態(tài)需要1個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。任務(wù)調(diào)度是實(shí)時(shí)的，只要任務(wù)的狀態(tài)或優(yōu)先級(jí)有一個(gè)發(fā)生改變，就立刻重新調(diào)度。該設(shè)計(jì)所消耗的邏輯資源較少，降低了開(kāi)發(fā)成本，使其集成組件成為可能。

本文針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核占用系統(tǒng)資源、影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，提出了用單獨(dú)的硬件電路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)調(diào)用和任務(wù)調(diào)度器的方案。重點(diǎn)給出了采用FPGA實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ任務(wù)管理模塊的過(guò)程。仿真結(jié)果表明，任務(wù)管理的硬件實(shí)現(xiàn)保持了系統(tǒng)調(diào)用的正確性，同時(shí)減少了系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行時(shí)間、降低了處理器系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。因此，硬件RTOS的實(shí)現(xiàn)，具有一定研究和使用價(jià)值。

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