快速低切換開銷的堆棧處理器架構(gòu)研究與實(shí)現(xiàn)

郭金輝，代紅兵，周永錄，劉宏杰

(云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650504)

0 引 言

James Bowman等[1]設(shè)計(jì)的J1處理器是一種16位的28個(gè)指令的處理器，有獨(dú)立的32深度的返回堆棧和數(shù)據(jù)堆棧，采用Verilog設(shè)計(jì)，核心代碼不超過200行的Verilog。J1處理器所有的指令都在單位系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間內(nèi)執(zhí)行，在Xilinx Spartan-3E FPGA以80 MHz的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，可以提供100 MIPS(每秒處理百萬級的機(jī)器語言指令數(shù))的速度運(yùn)行。

Anatoliy Sergiyenko等[2]采用VHDL設(shè)計(jì)的納米性8位堆棧處理器體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于FPGA實(shí)現(xiàn)。具有這種架構(gòu)的微處理器具有較小的硬件成本，減少的軟件數(shù)量，并且能夠向其指令集添加多達(dá)一百個(gè)新的用戶指令。納米性8位微處理器體系結(jié)構(gòu)適用于對串行端口通信進(jìn)行編程，并能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)流解析，它能有效地用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。

上述Forth堆棧處理器雖然執(zhí)行速度很快，但都只有一個(gè)返回棧和參數(shù)棧，僅支持單任務(wù)，無法完成多任務(wù)調(diào)度和任務(wù)啟動/結(jié)束時(shí)間有嚴(yán)格約束的實(shí)時(shí)任務(wù)(如果上下文切換時(shí)將處理器中硬堆棧的信息保存到內(nèi)存，必將丟失堆棧處理器的優(yōu)點(diǎn))。本文在J1處理器模型的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前Forth堆棧處理器架構(gòu)不支持多任務(wù)并發(fā)和事件實(shí)時(shí)響應(yīng)等問題，通過引入新的指令、定時(shí)器、中斷機(jī)制以及采用多任務(wù)堆棧技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種快速低切換開銷的Forth堆棧處理器架構(gòu)，支持實(shí)時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行，彌補(bǔ)了Forth堆棧處理器在實(shí)時(shí)多任務(wù)研究方面的不足。

1 Forth及堆棧處理器工作原理

1.1 Forth介紹

Forth有兩個(gè)堆?！祷貤：蛥?shù)棧，F(xiàn)orth程序的運(yùn)行相當(dāng)于在這兩個(gè)堆棧中做進(jìn)出和算術(shù)運(yùn)算操作[3]。

Forth語言由一個(gè)個(gè)詞以積木式方式鏈接在一起[4]，F(xiàn)orth程序運(yùn)行分為執(zhí)行態(tài)(解釋態(tài))和編譯態(tài)[5]。執(zhí)行過程和編譯過程如圖1和圖2所示。

圖1 Forth執(zhí)行態(tài)執(zhí)行過程

圖2 Forth編譯態(tài)編譯過程

執(zhí)行態(tài)時(shí)，輸入的字符被送到輸入緩沖區(qū)中，首先從輸入緩沖區(qū)中以空格為分隔符分離出一個(gè)個(gè)詞，然后在Forth已定義詞集中搜索分離出的詞是否存在。若匹配成功，則運(yùn)行該Forth詞，若未匹配成功，則判斷是否能轉(zhuǎn)換為數(shù)值，若成功則把該數(shù)放到參數(shù)棧中，否則系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)。循環(huán)上述步驟，直到在用戶輸入的一行字符解釋結(jié)束[6,7]。

編譯態(tài)是定義新詞時(shí)需要用到的一種狀態(tài)[8]。定義新詞時(shí)，F(xiàn)orth系統(tǒng)進(jìn)入編譯狀態(tài)。編譯程序和執(zhí)行程序類似，不同的是匹配到已定義詞時(shí)，查看該詞是否為立即詞(在名字域中用一位表示該詞是否為立即詞)，若是立即詞，就會立即執(zhí)行該詞，否則把該詞記錄到定義詞中[9]。

1.2 Forth堆棧處理器工作原理

Forth堆棧處理器根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘以心跳的方式運(yùn)行[4,5]，如圖3所示。時(shí)鐘上升沿來臨時(shí)，取指令，在上升沿到下次上升沿之間的時(shí)間進(jìn)行指令譯碼、指令執(zhí)行和修改指令計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)時(shí)鐘再次上升時(shí)執(zhí)行結(jié)果寫回，同時(shí)再次取出指令。Forth堆棧處理器以此循環(huán)的運(yùn)行。

圖3 Forth堆棧處理器指令執(zhí)行周期

取指令：Forth堆棧處理器中有專門存放指令的隨機(jī)存取存儲器RAM。根據(jù)指令計(jì)數(shù)器PC的值向RAM中取出指令，然后譯碼執(zhí)行。初始時(shí)指令計(jì)數(shù)器為0，存放的是Forth系統(tǒng)冷啟動代碼。

指令譯碼：取出指令后，按照指令編碼規(guī)則對指令進(jìn)行解碼，決定取出的指令應(yīng)該進(jìn)行哪些操作。不同的Forth堆棧處理器有著不同的編碼規(guī)則[10]。

執(zhí)行指令：指令的執(zhí)行主要涉及對參數(shù)棧棧頂元素、參數(shù)棧次棧頂元素和返回棧棧頂元素的操作，執(zhí)行的同時(shí)也要對參數(shù)棧和返回棧的棧頂指針做相應(yīng)調(diào)整。

修改指令計(jì)數(shù)器：指令被執(zhí)行后，根據(jù)當(dāng)前的指令的類型，確定下一條即將被執(zhí)行的指令地址(_PC)。

執(zhí)行結(jié)果寫回：心跳頻率方式運(yùn)行的Forth堆棧處理器，指令執(zhí)行完后，結(jié)果暫存在某寄存器中，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿來臨時(shí)，需要寫回到正確位置，保障下一個(gè)指令的正確執(zhí)行。例如_PC賦值給即將被執(zhí)行的指令地址(PC)。

2 快速低切換開銷的堆棧處理器架構(gòu)

200多行的Verilog語言代碼就構(gòu)造出了快速低切換開銷的Forth堆棧處理器架構(gòu)，其框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Forth堆棧處理器框架

2.1 指令集的設(shè)計(jì)

16位的Forth堆棧處理器一共有五大類指令集，分別是literal、jump、conditional jump、call、ALU，其編碼格式如圖5所示。

圖5 Forth堆棧處理器指令格式

literal指令集用于讀取終端輸入字符串為數(shù)字的情況，最大允許輸入的數(shù)為32 767，但想要輸入32 768～65 535之間的數(shù)字需要額外的指令使該數(shù)的最高位置特殊標(biāo)記。literal指令集時(shí)，_PC值指向當(dāng)前PC的下一個(gè)地址，即PC加一操作。

jump、conditional jump兩類指令集分別用于無條件跳轉(zhuǎn)和條件跳轉(zhuǎn)。jump指令會無條件的使_PC被賦值為target的值。conditional jump指令,若參數(shù)棧(D)棧頂?shù)闹禐?元素，_PC被賦值為target，若D棧頂?shù)闹禐榉?元素，則不會發(fā)生跳轉(zhuǎn)。無論跳轉(zhuǎn)不跳轉(zhuǎn)，conditional jump都會使D棧頂指針減一。條件跳轉(zhuǎn)conditional jump指令不滿足跳轉(zhuǎn)條件時(shí)，_PC的值指向當(dāng)前PC的下一個(gè)地址。

當(dāng)遇到call指令集時(shí)，會使PC加一的值存放到返回堆棧(R)中，R棧頂指針加一，_PC被賦值為target的值。與此同時(shí)存在return指令，譯碼時(shí)，把R棧頂元素賦值給_PC，R棧頂指針減一。

ALU指令集是Forth堆棧處理器最復(fù)雜的指令集。13位～15位表示是ALU指令集的標(biāo)志。12位的R→pc表示使R棧頂元素的值賦值給_PC。8位～11位的T’即在對參數(shù)棧(D)中的值進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算(加減移位等等)，不包含乘除指令，乘除運(yùn)算是經(jīng)過循環(huán)加減指令代替。5位～7位是針對某些Forth詞而設(shè)計(jì)，例如swap、>r、!等Forth詞。T→N表示D棧頂元素賦值給次棧頂，T→R表示D頂元素賦值給R棧頂，N→[T]表示次棧頂元素放到T地址中，T為D棧頂元素。4位為保留位。rstack±表示R棧頂指針做±1操作，同理dstack±表示D棧頂指針做±1操作。ALU指令集在根據(jù)相應(yīng)情況，對_PC賦值，除了R→ip是return指令操作，其它的都是_PC值指向當(dāng)前PC的下一個(gè)地址。

在ALU指令集的4位是保留位，合并5位～7位，可以增設(shè)12種不同的微指令。

為了實(shí)時(shí)多任務(wù)正常運(yùn)行，本文在Forth堆棧處理器指令集中設(shè)計(jì)了sp!、rp!、t→[R]、intrpt_on、intrpt_off、timer_on、timer_off和clk_n指令。設(shè)計(jì)的這些指令實(shí)現(xiàn)原理是當(dāng)Forth堆棧處理器PC值指向設(shè)計(jì)的指令時(shí)，F(xiàn)orth堆棧處理器會根據(jù)指令的功能進(jìn)行相應(yīng)的操作。其指令功能、實(shí)現(xiàn)方法結(jié)合圖4分別如下介紹。

sp!：表示把某數(shù)置為D棧頂指針，相應(yīng)的D棧頂元素和次棧頂元素進(jìn)行了的改變。實(shí)現(xiàn)方法是，把原D棧棧頂元素取出，賦值給D棧棧頂指針，并重新獲取新D棧棧頂元素，R棧不進(jìn)行任何操作。

rp!：表示把某數(shù)置為R棧頂指針，相應(yīng)的R棧頂元素進(jìn)行了改變。實(shí)現(xiàn)方法是，把原D棧棧頂元素取出，賦值給R棧棧頂指針，同是D棧棧頂指針減一，并重新獲取新D棧棧頂元素。

t→[R]：表示把D棧棧頂元素放到R中，且存放地址即堆棧指針為D次棧頂元素。實(shí)現(xiàn)方法是，取原D棧棧頂元素和原D棧次棧頂元素，并把原D棧次棧頂元素存放到指針為原D棧棧頂元素的R棧中，D棧棧頂指針分兩次進(jìn)行減一操作，并重新獲取新D棧棧頂元素和D棧次棧頂元素。

intrpt_on：表示允許響應(yīng)中斷。實(shí)現(xiàn)方法是，允許響應(yīng)中斷標(biāo)志位置為1。

intrpt_off：表示禁止響應(yīng)中斷。實(shí)現(xiàn)方法是，允許響應(yīng)中斷標(biāo)志位置為0。

timer_on：表示開啟時(shí)鐘中斷。實(shí)現(xiàn)方法是，允許響應(yīng)時(shí)鐘中斷標(biāo)志位置為1。

timer_off：表示關(guān)閉時(shí)鐘中斷。實(shí)現(xiàn)方法是，允許響應(yīng)時(shí)鐘中斷標(biāo)志位置為0。

clk_n：統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘跳轉(zhuǎn)次數(shù)，方便計(jì)算Forth堆棧處理器任務(wù)進(jìn)行調(diào)度時(shí)的切換時(shí)間。實(shí)現(xiàn)方法是，在Forth堆棧處理器中加入計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘跳轉(zhuǎn)次數(shù)，以此來確定運(yùn)行時(shí)間。

2.2 定時(shí)器

為了能適合分時(shí)系統(tǒng)以時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式調(diào)度，在Forth堆棧處理器中加入了時(shí)鐘中斷機(jī)制。Verilog HDL重要部分代碼如下。

(1) always @(posedge sys_clk_i) //當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿來臨時(shí)

(2) begin

(3) if(timer==0) //若定時(shí)器關(guān)閉

(4) clk_n <= 0;

(5) else //若定時(shí)器開啟

(6) begin

(7) if(clk_n==time_slice_55 ms)/*達(dá)到定值清零*/

(8) clk_n <=0;

(9) else

(10) clk_n <=clk_n +1；//循環(huán)加一

(11) end

(12) end

sys_clk_i是系統(tǒng)時(shí)鐘信號，上升沿來臨時(shí)，判斷定時(shí)器是否開啟，若關(guān)閉，計(jì)數(shù)器clk_n一直為0，若開啟，計(jì)數(shù)器clk_n計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)到time_slice_55 ms。

在圖4中，指令timer_on、timer_off開啟和關(guān)閉定時(shí)器(timer)。若開啟，timer=1，并且當(dāng)clk_n=0時(shí)，產(chǎn)生時(shí)鐘中斷信號，若禁止時(shí)鐘中斷，則時(shí)鐘中斷無效，_PC正常賦值。若允許響應(yīng)時(shí)鐘中斷，則把當(dāng)前任務(wù)的_PC放到R棧頂(斷點(diǎn)保護(hù))，_PC被置為時(shí)鐘中斷的中斷向量地址。同樣的，若允許時(shí)鐘中斷，在發(fā)生一次時(shí)鐘中斷后，clk_n不再等于0，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再次計(jì)數(shù)到time_slice_55 ms時(shí)，clk_n=0，然后就會再次出現(xiàn)時(shí)鐘中斷，達(dá)到分時(shí)調(diào)度的效果。

如圖6加入定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的Forth分時(shí)系統(tǒng)調(diào)度，Task1是終端任務(wù)，創(chuàng)建了后臺非實(shí)時(shí)任務(wù)Task2(Task2的創(chuàng)建方式也可以是任意其它任務(wù)，同時(shí)就緒、喚醒等操作也同樣如此)，并就緒Task2。Task1與Task2同優(yōu)先級，系統(tǒng)允許響應(yīng)中斷。當(dāng)時(shí)鐘中斷來臨時(shí)，Task2開始運(yùn)行，之后Task1和Task2交替運(yùn)行，直到Task2完成。之后再次遇到時(shí)鐘中斷時(shí)，需判斷后臺是否有任務(wù)，若無后臺任務(wù)不需要進(jìn)行上下文切換，繼續(xù)運(yùn)行Task1。若有多個(gè)后臺任務(wù)與終端任務(wù)同等級，可實(shí)現(xiàn)以時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的方式，多個(gè)任務(wù)循環(huán)的占用Forth堆棧處理器資源。

圖6 Forth分時(shí)系統(tǒng)調(diào)度

2.3 中斷機(jī)制

為了能適合搶占式實(shí)時(shí)系統(tǒng)方式調(diào)度，在Forth堆棧處理器中加入了簡單的中斷機(jī)制。

在圖4中，突發(fā)情況下產(chǎn)生外部中斷，外部中斷傳遞給Forth堆棧處理器產(chǎn)生intrpt信號，等到完成正在執(zhí)行的指令后，才能響應(yīng)中斷。首先判斷是否允許響應(yīng)中斷，若禁止響應(yīng)中斷，_PC正常賦值；若允許響應(yīng)中斷，判斷是否有中斷信號，若無，_PC正常賦值，若有中斷信號，當(dāng)前任務(wù)_PC的值送到返回堆棧中，并響應(yīng)中斷信號，待恢復(fù)中斷時(shí)，保存在返回堆棧的值重新賦值給_PC。

若時(shí)鐘中斷和外部中斷同時(shí)到來時(shí)，根據(jù)中斷類型，優(yōu)先處理高級外部中斷[11]。Forth堆棧處理器實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)中任務(wù)創(chuàng)建、刪除、阻塞、喚醒、就緒、調(diào)度和修改優(yōu)先級等操作屬于原語，不允許被打斷，需禁止響應(yīng)中斷。正在進(jìn)行原語操作時(shí)，不能及時(shí)的響應(yīng)外部中斷，需要等原語操作完成后再響應(yīng)外部中斷。

如圖7加入中斷機(jī)制后實(shí)現(xiàn)了Forth實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度。終端任務(wù)Task1創(chuàng)建了與Task1同優(yōu)先級的后臺非實(shí)時(shí)性任務(wù)Task2和實(shí)時(shí)性任務(wù)Task3，然后就緒Task2。實(shí)時(shí)任務(wù)Task3必須在中斷來臨前已經(jīng)創(chuàng)建，可由其它任務(wù)創(chuàng)建，也可在Forth堆棧處理器冷啟動時(shí)自動創(chuàng)建。時(shí)鐘中斷來臨后，切換到Task2執(zhí)行，Task2時(shí)間片用完后然后再切換到Task1執(zhí)行。在Task1時(shí)間片未用完前，發(fā)生了突發(fā)事件，以中斷服務(wù)程序的方式就緒了Task3，并禁止響應(yīng)時(shí)鐘中斷信號。調(diào)度后，Task3一直運(yùn)行，直至結(jié)束，并開啟允許響應(yīng)時(shí)鐘中斷信號。然后重新調(diào)度，選擇Task2，后面部分同分時(shí)系統(tǒng)調(diào)度。禁止響應(yīng)時(shí)鐘中斷信號后再次開啟允許響應(yīng)時(shí)鐘中斷信號，會立即產(chǎn)生時(shí)鐘中斷，并進(jìn)行調(diào)度，選擇新的任務(wù)運(yùn)行，并占用Forth堆棧處理器資源。

圖7 Forth實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度

2.4 多任務(wù)堆棧的設(shè)計(jì)

原Forth堆棧處理器堆棧深度為32[7]，只能滿足單任務(wù)正常運(yùn)行，想要實(shí)時(shí)多任務(wù)正常運(yùn)行，需要擴(kuò)充Forth堆棧處理器堆棧深度，使得每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)都擁有獨(dú)立的R和D。

Forth堆棧處理器中的堆棧是用單獨(dú)的隨機(jī)存取寄存器來存放數(shù)據(jù)的，只需要擴(kuò)充隨機(jī)存取寄存器的深度，即可擴(kuò)充Forth堆棧處理器中堆棧的深度。

當(dāng)堆棧深度固定時(shí)，很多的非實(shí)時(shí)性任務(wù)占用了堆棧資源但得不到運(yùn)行和釋放，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性任務(wù)無法獲得堆棧資源，為了解決該問題，所有非實(shí)時(shí)性任務(wù)共用32深度的堆棧，每次任務(wù)切換時(shí)需要額外的時(shí)間把原任務(wù)的堆棧數(shù)據(jù)搬移到某段地址的RAM空間中，并把現(xiàn)任務(wù)的堆棧數(shù)據(jù)從RAM搬回到堆棧里。這是一種以時(shí)間換取堆?？臻g的處理方法。

實(shí)時(shí)性任務(wù)和非實(shí)時(shí)性任務(wù)上下文切換有些差異，實(shí)時(shí)性任務(wù)只需保存原任務(wù)D棧頂指針和R棧頂指針，而非實(shí)時(shí)性任務(wù)不僅要保存堆棧棧頂指針，而且還需要把堆棧數(shù)據(jù)搬移到指定的地址空間中。還需要查找到下一個(gè)占用CPU資源的任務(wù)。實(shí)時(shí)性任務(wù)的斷點(diǎn)恢復(fù)，需要sp!指令恢復(fù)D棧頂指針和rp!指令恢復(fù)R棧頂指針，然后return指令把R棧頂元素賦值給_PC，即可恢復(fù)斷點(diǎn)。而非實(shí)時(shí)性任務(wù)堆?；謴?fù)需要把指定RAM空間數(shù)據(jù)再次搬回到堆棧中。

3 實(shí)驗(yàn)評估

Forth堆棧處理器正常運(yùn)行，需要在RAM中存放指令。本文利用gForth軟件編寫代碼，首先構(gòu)造出適合生成新Forth系統(tǒng)的框架和一些必備詞，在gForth系統(tǒng)軟件中生成eForth系統(tǒng)，需要定義3個(gè)Forth詞匯meta、assembler、target，即Forth系統(tǒng)整體架構(gòu)，必備詞是指如何在gForth系統(tǒng)軟件中生成可運(yùn)行eForth程序的編碼，并將其生成二進(jìn)制/十六進(jìn)制文件，重要的必備詞有t：開始定義eForth基礎(chǔ)詞、t；結(jié)束定義eForth基礎(chǔ)詞、save-hex保存生成的十六進(jìn)制eForth系統(tǒng)等等。然后根據(jù)Forth堆棧處理器指令集編碼規(guī)則，定義匯編詞，接著用匯編詞定義Forth高級詞(任務(wù)創(chuàng)建、刪除、就緒、阻塞、喚醒、修改優(yōu)先級等Forth詞)，最后生成可在Forth堆棧處理器中運(yùn)行eForth程序的指令文件。本文設(shè)計(jì)的基于優(yōu)先級的搶占式與時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制也被定義成Forth高級詞，存放在RAM中，可在Forth堆棧處理器上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度。

生成的編碼指令文件存入到RAM中，使用ISE14.7軟件對硬件描述語言Verilog HDL程序進(jìn)行綜合，生成的比特流文件通過iMPACT軟件燒錄到Xilinx Spartan-6 FPGA實(shí)驗(yàn)板中，使用secureCRT軟件作為Forth終端仿真，F(xiàn)PGA中的Forth堆棧處理器上電后以16 MHz的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，圖8為ALINX型號為AX309的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板。

圖8 實(shí)驗(yàn)開發(fā)板

開發(fā)板中有4個(gè)按鍵，本實(shí)驗(yàn)為模擬突發(fā)事件，以按鍵的發(fā)生當(dāng)作突發(fā)事件。開發(fā)板中有6個(gè)LED燈，本實(shí)驗(yàn)讓其顯示Forth堆棧處理器從啟動到某時(shí)刻的時(shí)間，分為時(shí)分秒單位，創(chuàng)建任務(wù)時(shí)可根據(jù)最遲發(fā)生時(shí)間設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級。

本設(shè)計(jì)中堆棧深度為256，224深度堆棧用于實(shí)時(shí)性任務(wù)，32深度用于非實(shí)時(shí)性任務(wù)。時(shí)鐘中斷計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)55 ms，可實(shí)現(xiàn)同優(yōu)先級任務(wù)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，不同優(yōu)先級搶占式調(diào)度。在Forth堆棧處理器中再增添clk_n指令，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)，以此來測量相關(guān)時(shí)間差。

在終端任務(wù)創(chuàng)建后臺任務(wù)Task1、Task2(實(shí)時(shí)任務(wù)也可以在處理器冷啟動時(shí)自動創(chuàng)建)，就緒Task1任務(wù)后，Task1開始運(yùn)行，某時(shí)刻發(fā)生中斷，中斷服務(wù)程序就緒Task2任務(wù)，中斷服務(wù)程序運(yùn)行完后，重新進(jìn)行調(diào)度，響應(yīng)了實(shí)時(shí)性強(qiáng)的Task2任務(wù)。

任務(wù)創(chuàng)建時(shí)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)控制塊，并分配一定的空間地址，對該任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)置。對任務(wù)控制塊的管理，其實(shí)就是對任務(wù)進(jìn)行管理。就緒任務(wù)時(shí)，把任務(wù)控制塊中任務(wù)狀態(tài)置為就緒態(tài)，同時(shí)根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級把該任務(wù)放到相應(yīng)的鏈表中(多條就緒鏈表)，并有資格搶占處理器資源。阻塞任務(wù)時(shí)把該任務(wù)置為阻塞態(tài)，并從某個(gè)就緒鏈表中摘掉該任務(wù)，加入到阻塞鏈表中。任務(wù)喚醒時(shí)把任務(wù)狀態(tài)置為就緒態(tài)，相應(yīng)的是任務(wù)阻塞的逆過程，從阻塞鏈表中摘除該任務(wù)控制塊，并添加到相應(yīng)的就緒鏈表中。優(yōu)先級的修改是對就緒鏈表進(jìn)行增刪的操作，首先摘掉原任務(wù)所在的就緒鏈表，修改任務(wù)控制塊中優(yōu)先級數(shù)，最后該任務(wù)控制塊添加到相應(yīng)的就緒鏈表中。任務(wù)刪除時(shí)，根據(jù)任務(wù)狀態(tài)，刪除鏈表中的任務(wù)控制塊，回收其所有資源。上述操作設(shè)計(jì)可在Forth堆棧處理器中運(yùn)行eForth程序的指令文件中。

任務(wù)創(chuàng)建、刪除、就緒、阻塞、喚醒、修改優(yōu)先級等操作不允許被打斷，屬于原語操作，需要系統(tǒng)禁止響應(yīng)中斷。

任務(wù)調(diào)度Forth程序如下。

(1) dispatch //任務(wù)的調(diào)度

(2) task_now @ @ 1= if /*判斷該任務(wù)是否為運(yùn)行態(tài)， 若是運(yùn)行態(tài)需要把該任務(wù)控制塊放到鏈表末尾處*/

(3) -1 task_now @ !

(4) task_now @ 4H + @

(5) task_now @ 10H + @ dup +

(6) priority_list + ! then

(7) look_most_priority //查找任務(wù)占用處理器

(8) next_task ! //存放即將占用CPU的TCB

(9) r> task_now @ eH + ! //_PC斷點(diǎn)保護(hù)

(10) sp@ task_now @ 8H + !//參數(shù)棧斷點(diǎn)保護(hù)

(11) rp@ 1H-task_now @ aH + ! //返回棧斷點(diǎn)保護(hù)

(12) base @ 1H rshift //數(shù)基值保存

(13) task_now @ cH + c!

(14) next_task @ task_now !

(15) 1H task_now @ ! //置選中任務(wù)為運(yùn)行態(tài)

(16) task_now @ 8H + @ sp! // 參數(shù)棧斷點(diǎn)恢復(fù)

(17) task_now @ aH + @ rp! //返回棧斷點(diǎn)恢復(fù)

(18) task_now @ cH + c@ dup + base ! //數(shù)基值恢復(fù)

(19) task_now @ eH + @ >r exit； //_PC斷點(diǎn)恢復(fù)

任務(wù)調(diào)度時(shí)進(jìn)行任務(wù)的切換，需要保存任務(wù)斷點(diǎn)、尋找即將占用處理器資源的任務(wù)、任務(wù)斷點(diǎn)恢復(fù)，代碼(9)、(10)、(11)、(12)和(13)表示原任務(wù)斷點(diǎn)保護(hù)，代碼(7)表示查找下一個(gè)占用CPU資源的任務(wù)，在D中留下該任務(wù)的控制塊，代碼(16)、(17)、(18)和(19)表示即將執(zhí)行的任務(wù)斷點(diǎn)恢復(fù)。

實(shí)驗(yàn)對比對象黃忠建等設(shè)計(jì)的是一種基于寄存器處理器的Forth實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度[12]，該系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行，以中斷的方式響應(yīng)突發(fā)事件，支持中斷嵌套，但是該系統(tǒng)只支持軟實(shí)時(shí)性任務(wù)，無法完成要求嚴(yán)格的強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)。

文獻(xiàn)[12]在Atmega328芯片上以16 MHz的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，并且文獻(xiàn)[12]提到任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)上下文切換時(shí)間和最大關(guān)中斷時(shí)間是影響實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要的指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)測試了Task2的最大任務(wù)響應(yīng)(突發(fā)事件開始時(shí)間到任務(wù)開始運(yùn)行之間的最大時(shí)間，包括最大關(guān)中斷時(shí)間和任務(wù)響應(yīng)時(shí)間)、任務(wù)上下文切換、關(guān)中斷時(shí)間。如圖9所示。

圖9 實(shí)時(shí)任務(wù)TASK2響應(yīng)時(shí)間測試

終端任務(wù)TASK1狀態(tài)下創(chuàng)建了實(shí)時(shí)任務(wù)TASK2(包括顯示clk_n的值和一個(gè)32次的累加)，按鍵中斷模擬突發(fā)事件，此時(shí)允許響應(yīng)中斷(最大響應(yīng)時(shí)間時(shí)需要加上最大關(guān)中斷時(shí)間)，中斷服務(wù)程序第一條程序是記錄當(dāng)前clk_n_1的值，然后就緒任務(wù)TASK2，立馬進(jìn)行調(diào)度，搶占終端任務(wù)TASK1。TASK2運(yùn)行的第一條程序是記錄當(dāng)前clk_n_2的值。所以實(shí)時(shí)任務(wù)TASK2的響應(yīng)時(shí)間=(clk_n_2-clk_n_1)*62.5ns+最大關(guān)中斷時(shí)間。同樣方法本實(shí)驗(yàn)測量了任務(wù)上下文切換時(shí)間和最大關(guān)中斷時(shí)間。

與文獻(xiàn)[12]作對比，得到表1實(shí)時(shí)任務(wù)重要性能指標(biāo)對比。

表1 實(shí)時(shí)任務(wù)重要指標(biāo)性能對比/μs

文獻(xiàn)[12]的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)上下文切換時(shí)間、最大關(guān)中斷時(shí)間分別為2133 μs、60 μs、1687 μs，基于堆棧處理器的Forth實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)上下文切換時(shí)間、最大關(guān)中斷時(shí)間分別為46.69 μs、13.44 μs、21.75 μs。實(shí)時(shí)多任務(wù)架構(gòu)的堆棧處理器的實(shí)時(shí)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間、任務(wù)上下文時(shí)間和最大關(guān)中斷時(shí)間非?？欤啾扔诨诩拇嫫魈幚砥鞯腇orth實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度，能完成任務(wù)結(jié)束時(shí)間有嚴(yán)格約束的實(shí)時(shí)任務(wù)。

另外本文在Xilinx Spartan-6 FPGA實(shí)驗(yàn)板中以100 MHz的時(shí)鐘頻率運(yùn)行時(shí)測得基于堆棧處理器的Forth實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)響應(yīng)、上下文切換、最大關(guān)中斷時(shí)間分別為7.47 μs、2.15 μs、3.48 μs。

4 結(jié)束語

本文利用ALU指令集中空閑位置設(shè)計(jì)了適合實(shí)時(shí)多任務(wù)的sp!、rp!、t→[R]、timer_on、timer_off、intrpt_on、intrpt_off和clk_n指令。引入計(jì)時(shí)器為分時(shí)調(diào)度提供“滴答”時(shí)標(biāo)，通過簡單的中斷機(jī)制為實(shí)時(shí)調(diào)度提供啟停信號。采用多任務(wù)堆棧技術(shù)，加深堆棧深度，使每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)都擁有獨(dú)立的堆?？臻g，并且支持多個(gè)非實(shí)時(shí)任務(wù)共用同一硬件堆棧。實(shí)驗(yàn)方面，本文設(shè)計(jì)了基于優(yōu)先級的搶占式與時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度。通過增加的指令clk_n統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘跳轉(zhuǎn)次數(shù)，測量出最大任務(wù)響應(yīng)、最大任務(wù)上下文切換和最大關(guān)中斷時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘跳轉(zhuǎn)次數(shù)。通過與基于寄存器處理器的Forth實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度作比較，得出以基于堆棧處理器的Forth實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間快，任務(wù)上下文切換時(shí)間短，關(guān)中斷完成迅速等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)是一種快速低切換開銷的Forth堆棧處理器架構(gòu)，可滿足任務(wù)啟動/結(jié)束時(shí)間有嚴(yán)格約束的實(shí)時(shí)任務(wù)，對當(dāng)前Forth堆棧處理器研究發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

快速低切換開銷的Forth堆棧處理器架構(gòu)還有很大的發(fā)展空間，下一步將會在本文研究的基礎(chǔ)上，對主從式異構(gòu)多核Forth堆棧處理器如何進(jìn)行快速低切換開銷的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度進(jìn)行研究。