一种实时操作系统RTOS的硬件加速设计

　　摘 要： RTOS是嵌入式系统中重要的组成部分，但其本身的运行使整个系统的性能下降。针对RTOS的任务调度和时间延时处理部分进行分析，并加以硬件实现。在运行63个任务时，采用硬件加速模块，任务响应时间为2 180个时钟周期。相比没有硬件支持的系统，任务响应时间可降低85.8%，提高了系统的可预测性。

　　随着科技的进步，嵌入式系统的功能逐渐由简单向复杂发展，开发难度也随之提高。嵌入式操作系统的使用，屏蔽了部分硬件信息，提供给开发者统一的平台，降低了开发难度，提高了代码的重复利用率。在一些特殊的领域(医疗、汽车、航空航天)，对嵌入式系统的实时性要求非常高。在这些场合，任务必须在给定的时间内响应并正确完成。而实时操作系统RTOS(Real Time Operation System)本身的运行，必然会引起性能的下降，在任务数量增加时，这种下降更加明显。例如，使用?滋C/OS-II实时操作系统在PowerPC处理器上运行，在TimeTick(时钟节拍)周期为10 ?滋s、运行64个任务的情况下，TimeTick中断函数占用的CPU时间已达到42%[1]。

　　目前,RTOS软件层面的研究已经很成熟,可有效提高RTOS性能的方法有以下几种：

　　(1)提高处理器的运行频率[2]。这对功耗相当敏感的嵌入式系统并不是好方法。同时高频时钟所引起的电磁干扰对电路板布线的要求也更高；

　　(2)设计专用于RTOS系统服务的硬件。硬件对相同的操作可并行处理。如果设计一种硬件，在任务数量或TimeTick频率增加的情况下，系统也能在固定的时钟周期内完成所有任务域的更新，从而降低RTOS运行所占的CPU时间。

　　本文设计了实时系统加速RTA(Real-Time Acceleration)模块，对任务调度和系统时间管理进行硬件化，降低了任务中断时间，并对最终的测量数据进行对比，得出结论。

　　1 RTA的硬件设计

　　本文的硬件平台使用OR1200[3] CPU,它是一款由OpenCores网站维护的开放源代码CPU,内部结构可见可修改,且没有版权问题。RTA模块作为从设备连接到Wishbone总线[4]上。在RTA模块中，由硬件实现任务管理和时间管理。RTA中的寄存器全部映射到内存空间上，软件通过对寄存器的访问来控制RTA模块的运行。

　　该专用硬件可分成如下两部分：

　　(1)任务管理和时间管理部分。RTA模块支持64个任务，使用基于优先级的调度策略，每个任务有唯一的优先级。RTA只在需要任务切换时才中断CPU。时间延时的最小单位是TimeTick(时钟节拍)，最长时间延时可达65 535个TimeTick；

　　(2)用于产生TimeTick信号的Timer(计时器)。RTA必须有独立的Timer为其产生TimeTick信号。在本文中，利用OR1200自带的Timer完成此工作。

　　本文使用的系统是在μC/OS-II实时操作系统基础上改进实现的。该RTOS由Micrium网站维护，已经应用于商业产品[5]。整个软硬件的实现在FPGA开发板DE2-70上完成，系统时钟频率为25 MHz。