隨著嵌入式技術的發(fā)展，實時操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operating System）被越來越多地應用在嵌入式系統(tǒng)中，如：航空航天、工業(yè)控制、汽車電子和核電站建設等眾多領域。對于現(xiàn)有基于軟件實現(xiàn)的實時操作系統(tǒng)，單純依靠改進調度算法已不能使其實時性有更大的提高。如果采用硬件邏輯實現(xiàn)RTOS中的任務調度、中斷處理和定時器管理等功能，則可使其實時性和確定性顯著提高。因為硬件邏輯獨立于處理器運行，不占用處理器的處理時間，所節(jié)省的時間用于執(zhí)行任務程序，從而提高了任務集合的可調度性和實時性。本文基于“外部處理器+FPGA”的硬件平臺結構［1］，在FPGA上設計和實現(xiàn)了硬件實時操作系統(tǒng)。

1 硬件實時操作系統(tǒng)的結構和運行原理

硬件實時操作系統(tǒng)能實現(xiàn)典型實時操作系統(tǒng)的各種功能模塊，包括：任務調度內核、中斷管理模塊、定時器模塊、資源管理模塊和內存管理模塊等［2］。為了實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，本文采用逐步演進的方法。首先實現(xiàn)由任務調度內核（也稱作硬件調度內核）、中斷管理、定時器管理和接口軟件構成的最小系統(tǒng)，然后逐步增加其他功能模塊。

硬件RTOS的結構如圖1所示。調度內核是系統(tǒng)的核心，負責任務的調度管理；中斷管理模塊負責管理外部中斷；定時器模塊負責任務延時和周期執(zhí)行。硬件RTOS的數(shù)據(jù)通過接口總線與外部系統(tǒng)通信［3］。

任務調度內核使用FPGA的片內寄存器實現(xiàn)任務控制塊TCB（Task Control Block）隊列（簡稱任務隊列）。所有未執(zhí)行任務放在等待隊列和就緒隊列中。等待隊列中的任務在條件滿足時將變?yōu)榫途w任務。本文中，等待任務主要等待定時器時間和中斷到達。任務調度內核能在每個調度時機計算出優(yōu)先級最高的就緒任務。調度內核采用搶占式調度機制，每個調度時機輸出優(yōu)先級最高的就緒任務。

中斷模塊接管處理器除通知中斷以外的所有外部中斷，中斷服務程序稱作“中斷處理任務”，與普通任務一樣被硬件內核調度。外部中斷到來時，觸發(fā)硬件內核的調度時機，保證中斷任務的實時執(zhí)行。此時，軟件實時操作系統(tǒng)的中斷嵌套已經轉換為處理器中任務的搶占，高優(yōu)先級的中斷任務可以搶占低優(yōu)先級任務。

定時器管理模塊實現(xiàn)任務的延時和周期運行，在設定任務周期或延時時間后，每當設定時間到時便會使對應任務就緒，并觸發(fā)硬件內核的調度時機，由后者執(zhí)行一次任務調度。

接口總線硬件實現(xiàn)處理器與硬件RTOS之間的數(shù)據(jù)傳輸和事件通知。接口軟件從功能上分為兩類：（1）系統(tǒng)API。被應用程序調用，能通過接口總線向硬件RTOS發(fā)送命令。硬件RTOS收到命令后，解析數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應操作。（2）通知中斷服務程序。硬件RTOS進行一次任務調度后，如果發(fā)現(xiàn)新“選出”的最高優(yōu)先級就緒任務與當前處理器正在執(zhí)行的任務不同，則需要進行現(xiàn)場切換。硬件調度內核將利用通知中斷告知處理器該就緒任務的ID和堆棧地址，觸發(fā)后者執(zhí)行中斷服務程序，以執(zhí)行現(xiàn)場切換。

任務存在阻塞（S0）、就緒（S1）和運行（S2）三個狀態(tài)，定時器存在停止（T0）、運行（T1）兩個狀態(tài)，中斷模塊存在無效（I0）、有效（I1）兩個狀態(tài)。圖2描述了最小系統(tǒng)各模塊的運行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

本文選用ARM9系列的處理器S3C2410和Actel公司的FPGA芯片APA075，用后者實現(xiàn)硬件實時操作系統(tǒng)，調度在處理器上執(zhí)行的任務。

2.1 任務調度內核的設計實現(xiàn)

實時操作系統(tǒng)的核心是任務調度內核，其主要功能是根據(jù)調度算法，在每個調度時機確定下一個將要執(zhí)行的任務，并適時進行現(xiàn)場切換。為此，調度內核需要維護一系列的任務隊列（如就緒任務隊列和等待任務隊列），并在每個調度時機，根據(jù)優(yōu)先級重新排列就緒隊列，以計算出優(yōu)先級最高的就緒任務。

合理的任務控制塊是實現(xiàn)硬件調度內核的關鍵，應能根據(jù)調度算法分配優(yōu)先級，并利于優(yōu)先級比較，而且能夠索引最終結果。根據(jù)上述需求，設計了如圖3所示的任務控制塊結構。其中ID為任務號，State為任務狀態(tài)，Prio為任務優(yōu)先級，SP_End為任務堆棧終止地址，Run_Time 為任務起始運行時間，End_Time為任務結束運行時間。起始和截止時間能根據(jù)特定算法分配任務的優(yōu)先級。Delay_Counter為任務延時計數(shù)器，Timer_Counter為周期任務分頻計數(shù)器，Int_Number為中斷號。

硬件調度內核使用多級比較器，能確定當前時刻優(yōu)先級最高的就緒任務，并將其信息通過接口總線發(fā)送到處理器。比較器采用相鄰任務兩兩比較的方式。所以，2n個任務需要n級比較器，構成2n－1個比較單元。多級比較器的結構示例如圖4。

一個比較單元的實現(xiàn)代碼如下：

process（Ready_TASK0_pro， Ready_TASK1_pro）

begin

if （Ready_TASK0_pro《 Ready_TASK1_pro） then

cmp_level3_01_pro《= Ready_TASK0_pro；

cmp_level3_01_id《= Ready_TASK0_id；

else

cmp_level3_01_pro《=Ready_TASK1_pro；

cmp_level3_01_id《=Ready_TASK1_id；

end if；

end process；

每個比較單元以任務ID為索引，以優(yōu)先級為比較內容，每次比較都將優(yōu)先級高的任務送入下一級比較，經過2n－1次比較，可以把2n個任務中優(yōu)先級最高的任務選出。硬件邏輯是物理并行執(zhí)行的，所以與軟件實現(xiàn)的實時操作系統(tǒng)調度內核相比，硬件調度內核的執(zhí)行速度快，而且這種優(yōu)勢在多任務虛擬并行和高時鐘節(jié)拍的情況下將更加明顯。

硬件調度內核邏輯結構如圖5所示，處理器和硬件調度內核之間通過接口總線通信。硬件調度內核在調度時機進行任務調度，調度時機在以下幾種情況產生：（1）周期任務周期時間到達，任務狀態(tài)由等待變?yōu)榫途w。（2）延時時間到達，等待任務狀態(tài)由等待變?yōu)榫途w。（3）外部中斷到達，中斷任務狀態(tài)由等待變?yōu)榫途w。（4）應用程序調用由硬件RTOS提供的系統(tǒng)API改變了任務狀態(tài)或優(yōu)先級。

以上述第4種情況為例，描述調度執(zhí)行過程如下：處理器在執(zhí)行到應用程序調用的系統(tǒng)API時，將其轉換成對應的命令和數(shù)據(jù)，經編碼后傳遞到調度內核，觸發(fā)硬件調度內核的一次調度時機。后者解析收到的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行調度操作，通過比較各任務優(yōu)先級，計算出優(yōu)先級最高的就緒任務。若該任務與當前處理器中正在運行的任務不同，則將該任務的ID號和堆棧終止地址利用通知中斷回送給處理器。

2.2 中斷管理模塊的設計實現(xiàn)

普通任務控制塊的中斷號為0，而中斷任務的中斷號為大于0的整數(shù)值，并與中斷號對應的外部中斷相關。中斷管理模塊使用FPGA的I/O（輸入/輸出）管腳，每個管腳對應一個外部中斷，一個或者多個外部中斷對應一個中斷處理任務。應用程序初始化階段設定任務控制塊中斷號字段Int_Number，能注冊中斷處理任務。在FPGA中建立以外部中斷為敏感信號的守護進程，當外部中斷到達時，該進程將中斷任務置于就緒狀態(tài)，其偽代碼如下：

process（Task_Int_Number）//外部中斷為敏感信號

begin

if （Task_Int_Number’event and Task_Int_Number=0） then//下降沿觸發(fā)

Task_State 《=1；//任務置于就緒態(tài)

else

Task_State《=0；

end if；

end process；

硬件調度內核以任務狀態(tài)為敏感信號，當外部中斷通過中斷管理模塊使中斷任務就緒時，會觸發(fā)調度內核執(zhí)行一次任務調度。中斷管理模塊的邏輯結構如圖6所示。為了保證外部事件的實時處理，應用程序可為中斷任務設置高于普通任務的優(yōu)先級。

2.3 定時器管理模塊的設計實現(xiàn)

定時器管理模塊以FPGA外部晶振為基準進行分頻，創(chuàng)建多個定時器以設定任務周期。與定時器關聯(lián)的任務稱作周期任務。定時器管理模塊在每個定時器的周期到達后，使對應的周期任務就緒，觸發(fā)調度內核進行任務調度。

設定任務控制塊中的Timer_Number注冊周期任務。如圖7所示，定時器管理模塊實現(xiàn)：（1）任務周期運行。在應用程序設置并使能周期計數(shù)器Timer_Counter后，每當系統(tǒng)時鐘到達，計數(shù)器減1。當計數(shù)器為0時，觸發(fā)對應的守護進程，使任務進入就緒態(tài)并重置周期計數(shù)器。任務狀態(tài)的改變觸發(fā)FPGA中的調度進程，執(zhí)行一次任務調度。（2）任務延時。在應用程序設置并使能延時計數(shù)器Delay_Counter后，模塊使任務變?yōu)榈却隣顟B(tài)。每次系統(tǒng)時鐘到達，計數(shù)器減1。當計數(shù)器為0時，觸發(fā)對應守護進程，使任務進入就緒態(tài)，并執(zhí)行一次任務調度。

2.4 接口設計

接口總線的硬件由32位數(shù)據(jù)總線、5位地址總線、1個片選引線和1個通知中斷引線構成。接口軟件包括系統(tǒng)API和通知中斷處理程序。

2.4.1 系統(tǒng)API的設計

系統(tǒng)API實現(xiàn)處理器中應用程序與硬件RTOS的交互。首先為任務調度內核、中斷管理和定時器管理等各硬件模塊分配處理器訪問地址；然后，定義各模塊使用的API，確定其功能和轉換后向硬件RTOS發(fā)出的數(shù)據(jù)格式及內容。

任務管理API包括：創(chuàng)建任務（Task_Creat）、阻塞任務（Task_Block）、改變任務優(yōu)先級（Task_Change_Prio）和改變任務狀態(tài)（Task_Change_State）。

定時器管理API包括：設定分頻值（Set_Timer_Fre）、使能周期任務（Set_Timer_Task）和延時（Delay）。

中斷管理API包括：設定中斷任務（Set_Int_Task）和等待中斷（Wait_IRQ）。

下面以創(chuàng)建任務API為例，描述其偽代碼和功能注釋：

Task_Creat（ID，PRO，STATE）//創(chuàng)建任務，ID為任務索引， //PRO為優(yōu)先級，STATE為起始狀態(tài)

{

Senddata=0001∷ID：PRO：STATE；//拼裝數(shù)據(jù)， //變成發(fā)送數(shù)據(jù)格式

&TASKADD=Senddata；//將數(shù)據(jù)發(fā)送給硬件RTOS

}

2.4.2 通知中斷服務程序的設計

實時操作系統(tǒng)中，每個任務都有堆棧空間，用于現(xiàn)場切換時保存各寄存器值和棧指針。其中，棧指針指向的堆棧起始地址和保存現(xiàn)場后的終止地址最為重要。保存當前運行任務的現(xiàn)場時，從其堆棧的起始地址開始執(zhí)行入棧操作；而恢復將運行任務的現(xiàn)場時，從其堆棧的終止地址開始執(zhí)行出棧操作。

任務堆棧在處理器使用的內存中分配。應用程序初始化時，將任務堆棧終止地址利用接口總線寫入硬件調度內核維護的任務控制塊中。每次調度結束后，若需要現(xiàn)場切換，硬件調度內核會將下一運行任務的ID和堆棧終止地址利用通知中斷發(fā)送給處理器。通知中斷處理程序首先將當前任務的寄存器保存在該任務以SP_START為起始地址的堆棧中，然后從接口總線讀取下一運行任務的ID和堆棧終止地址，恢復該任務的現(xiàn)場并開始運行。圖8顯示了通知中斷服務程序的執(zhí)行過程。

3 實驗與結果分析

對本文實現(xiàn)的硬件RTOS，在時鐘節(jié)拍為10μs時，分別測試在4、8、16、32和64個任務下、由定時器中斷觸發(fā)調度時機引起現(xiàn)場切換，所占處理器時間（系統(tǒng)開銷）的情況。其結果與軟件實時操作系統(tǒng)μC/OS進行比較，如表1所示。

測試結果表明，硬件RTOS中，由定時器中斷引起的系統(tǒng)開銷不隨任務個數(shù)的增加而顯著變化，但與μC/OS相比，差值越來越大。

表2列出了任務32時，在10μs、20μs、40μs、80μs和100μs的時鐘節(jié)拍下，硬件RTOS和μC/OS由定時器中斷引起現(xiàn)場切換所占處理器時間的情況。

測試結果表明，隨著時鐘節(jié)拍降低，硬件RTOS的系統(tǒng)開銷變化不明顯，而與μC/OS相比，差值越來越大。時鐘節(jié)拍很小時，硬件RTOS比μC/OS的系統(tǒng)開銷低許多。

目前，硬件RTOS實現(xiàn)了任務調度內核等基本模塊。今后的工作中，將進一步擴展其功能，增加以下幾個部分：（1）任務間通信和同步。（2）內存管理。（3）支持更多的調度算法，實現(xiàn)調度算法可配置。（4）針對可在FPGA中實現(xiàn)的可配置處理器，用硬件實現(xiàn)上下文切換邏輯。

實時操作系統(tǒng)是嵌入式應用的核心，本文采用FPGA實現(xiàn)硬件實時操作系統(tǒng)，包括任務調度內核、中斷管理和定時器管理等基本功能。硬件RTOS能降低處理器系統(tǒng)開銷，提高其利用率，從而提高實時系統(tǒng)任務集合的可調度性，具有一定的研究和使用價值。