基于SOC的實時操作系統(tǒng)分析

　　摘 要：隨著芯片集成技術的不斷發(fā)展，目前，在集成電路設計方面已經(jīng)進入了一個新的時代，在設計時通常采用軟件硬件協(xié)同的方法。實時操作系統(tǒng)能夠顯著優(yōu)化芯片的性能特征，同時還能優(yōu)化設計的總體效益，降低其上市的時間，提高其可用性能。因此，本文對基于SOC的實時操作系統(tǒng)進行了分析。
　　關鍵詞：SOC 實時操作系統(tǒng) 分析
　　中圖分類號：TP316.2文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0013-01
　　實時操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺。RTOS根據(jù)各個任務的性質和要求，進行資源（包括存儲器、外設等）管理、任務的通信和同步管理、任務調度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中，通常每個任務都有優(yōu)先級RTOS根據(jù)各個任務的優(yōu)先級來動態(tài)的切換任務，保證其對實時性的要求。這種體系結構簡化了編程結構，比過去的循環(huán)控制的體系結構有了很大的改進。與通常的嵌入式實時操作系統(tǒng)相比，基于SOC的RTOS既有共性，也有其特殊性。其共性表現(xiàn)在強調任務的實時性，采用實時調度算法以保證系統(tǒng)的多個任務能滿足實時性的要求；其特殊性源于SOC給RTOS的設計帶來新的課題。
　　1 基于SOC的實時操作系統(tǒng)設計的原理
　　普通的計算機系統(tǒng)當中，一般是通過軟件來實現(xiàn)操作系統(tǒng)的設計的，對實時性也沒有較高的要求，沒有嚴格限制其所占用的內存。但是基于SOC的實時操作系統(tǒng)在設計時對實時性有很嚴格的要求。同時也苛刻限制了代碼的長度。但是與此同時，進行這種實時系統(tǒng)的設計時，也有很強的靈活性，它主要體現(xiàn)在：為了保障系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，能夠在芯片上設計額外的硬件，將實時操作系統(tǒng)的尺寸縮小，使其運行時間變快。通常是利用新的算法和數(shù)據(jù)結構來不斷提高操作系統(tǒng)的實時性能，而在基于SOC的操作系統(tǒng)當中，進行軟硬件的協(xié)同設計，提供了一種創(chuàng)新的機制。在基于集成芯片RTOS設計當中，本文主要是通過采用I/O管理來實現(xiàn)軟硬件的有效劃分?？v線調度對于HDTV解碼芯片設計具有重要作用，它具有較強的非隨機性，在選擇算法時可以選用時間片這種調度方法。為了將整個操作系統(tǒng)在調度上的總開銷控制在一定范圍內，并提高操作系統(tǒng)中芯片吞吐的總量，采用硬件來實現(xiàn)對所有總線的管理。
　　2 基于SOC的實時操作系統(tǒng)的任務管理
　　第一，任務的調度。在實施操作系統(tǒng)當中，對內核進行調度時需要確立基本調度單位，任務作為基本單位，其驅動通常都是事件或者消息的基礎上形成的，也就是說，在設計任務時，需要根據(jù)對接收到的各項事件以及信息的處理來進行的，它具有循環(huán)性。任務的狀態(tài)在實時操作系統(tǒng)中表現(xiàn)出很多不同種類，任務的運行，任務的就緒以及掛起等等，但是一般來說，系統(tǒng)中在同一時間內只可供一種任務狀態(tài)存在，不同的任務按照其級別的差異來通過各自的時間片，然后獲得訪問CPU的權利。對多重任務進行管理和調度是實時操作系統(tǒng)的重要功能之一。任務是整個操作系統(tǒng)中不可或缺的基本操作對象，包括激活以及休眠任務。任務調度分為三種，一種是時間輪詢；另一種是時間分片還有一種是優(yōu)先搶占，在這三種形式中，對于實時性能的支撐性最強的是最后一種，即優(yōu)先搶占式。
　　第二，任務的切換。實時操作系統(tǒng)中，任務的切換主要是由以下原因引起的：第一種情況是上一個任務在正常完成之后，就將自身對CPU的控制權利轉給實時操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)對列表中全部任務進行判斷和檢查，確定優(yōu)先級別最高的任務，使其優(yōu)先運行。第二種情況是當其中一個任務正在運行的過程中，優(yōu)先級別更高的另一個任務出現(xiàn)了中斷現(xiàn)象，系統(tǒng)根據(jù)目前任務狀況，保存其上下文，并對任務進行切換，使其處于中斷任務的狀態(tài)。系統(tǒng)通過對任務列表的整理和檢查，將一些運行完畢的任務刪除，然后不斷增加一些新的任務，并根據(jù)其優(yōu)先級別的高低，來對其進行排序。以促進任務間系統(tǒng)資源的合理分配。
　　第三，任務同步和通信。實時操作系統(tǒng)當中對任務通信、同步的實現(xiàn)一般是通過對消息、郵箱、信號燈等服務原語的定義來進行其中消息的確立是通過系統(tǒng)當中一些公共的數(shù)據(jù)交換區(qū)域來將任務在通信過程中需要的各種信息進行交互。
　　3 基于SOC的實時操作系統(tǒng)的存儲管理
　　第一，對存儲區(qū)進行合理分配。實時操作系統(tǒng)當中，需要對存儲的區(qū)域進行合理科學的分配，一般采用靜態(tài)或者動態(tài)的分配方式，同時，在分配時還可以根據(jù)硬件中分布的儲存管理單元自身擁有的特點來優(yōu)化存儲管理模塊的設計。
　　第二，應該實現(xiàn)對堆的管理。對于任務來說，如果需要一定的存儲區(qū)域，則需要通過動態(tài)申請才能實現(xiàn)，實時操作系統(tǒng)能夠通過對存儲空間中的堆來為任務在動態(tài)申請以及存儲塊的釋放過程中提供一個調用的接口，在進行動態(tài)分配的時候，應該注意避免出現(xiàn)存儲區(qū)零碎化的現(xiàn)象。
　　4 I/O以及系統(tǒng)的中斷管理
　　實時操作系統(tǒng)為中斷管理提供了一種具有較高通用性能的設計模式，這種模式可以將中斷的時間控制在最短范圍內，并能最大化提高中斷的響應程度。同時，系統(tǒng)內核中的各種資源對象可以對實體或者虛擬的資源進行獨占式的訪問，資源在同時間內只能被一個任務訪問，這樣有利于防止出現(xiàn)資源沖突的現(xiàn)象。在設計1/O系統(tǒng)時，應確保其具有以下特性：能在多個用戶程序之間共享；借助中斷管理來實現(xiàn)和CPU的通信以及同步；實現(xiàn)對I/0設備的良好控制。
　　5 基于SOC的實時操作系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計的方法
　　軟硬件協(xié)同設計時，首先需要依據(jù)操作系統(tǒng)的實際需求以及說明，來劃分軟硬件，將系統(tǒng)的功能具體要由哪些軟件或者硬件來實現(xiàn)進行確定，Gupta等在很早之前就提出了一種算法，這種算法能夠實現(xiàn)功能在硬件軟件之間的遷移，而也有人提出了另一種較為先進的算法，這種算法可以通過將關鍵功能在指令流中確定下來，并把它們映射成相應的硬件。其次，需要對功能進行定位。因為軟件當中所承載的功能有時候會因為時間或性能因素，而被硬件取代，基于這種可能，可以通過對開發(fā)時間的考慮以及性能等方面的適應性，來將原本在硬件中執(zhí)行的各種功能，轉移到軟件上來，由軟件中的處理器來執(zhí)行。再者，應該進行良好調度。實時操作系統(tǒng)在任務中進行調度，主要依據(jù)是任務的不同，對實時響應的具體要求也不同。在硬件上，應該根據(jù)資源的總量和數(shù)據(jù)總線來對任務中的時間片進行合理分配。最后，還應該完成映射。在硬件中利用固核來生成硬核，并把軟件編譯成一串串可以正常運行的代碼。
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