硬件實時操作系統(tǒng)信號量管理的設計解析

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，但是對現(xiàn)有基于軟件實現(xiàn)的RTOS，單純依靠改進調度算法已經(jīng)不能使系統(tǒng)的實時性有很大提高。為提高系統(tǒng)的響應能力，國內外一些研究機構提出RTOS硬化的方法，并開始做這方面的研究工作［1］。目前，軟件硬化常用的有兩種方法：（1）微程序方式，特點是成本較低，方便靈活；（2）組合邏輯方式，特點是速度快、可靠性高，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，這種方式逐漸顯示出優(yōu)越性［2］。信號量管理是RTOS中頻繁運行的程序段之一，如果將這一部分用硬件實現(xiàn)，對提高機器的速度將有很明顯的效果。本文采用組合邏輯方式參照μC/OS-II將信號量管理及ECB管理硬化到一片芯片上，作為獨立的模塊與處理器并行工作。
　　1 信號量管理的工作原理
　　μC/OS-II中信號量主要數(shù)據(jù)結構由兩部分組成：（1）信號量的計數(shù)值Cnt。當數(shù)值為正時用于記錄可使用的資源數(shù)，當數(shù)值為負，其絕對值表示等待當前信號量的任務個數(shù)；（2）等待該信號量的任務列表。信號量的基本數(shù)據(jù)結構需要申請一個ECB來存儲。一個任務或ISR可以通過ECB向另外的任務發(fā)信號，一個任務可以等待另一個任務或中斷服務子程序給它發(fā)送信號，多個任務可同時等待同一個事件的發(fā)生［3］。當事件發(fā)生后，等待該事件的優(yōu)先級最高的任務進入就緒狀態(tài)，觸發(fā)一次任務調度［3］。任務或者中斷服務子程序都可以給ECB發(fā)信號，對ECB進行操作。
　　信號量管理的工作原理框圖如圖1所示。信號量管理模塊以及事件控制塊管理都是獨立于CPU的邏輯結構，都可以直接從數(shù)據(jù)總線上獲得數(shù)據(jù)信息進行處理，在信號量管理模塊與ECB的存儲模塊間建立一條數(shù)據(jù)通路，在不增加總線負擔的情況下加快二者間的通信。這些硬件邏輯獨立于CPU工作，減少了CPU的工作，從而提高系統(tǒng)的響應能力。
　　
　　2 信號量管理的硬件設計與實現(xiàn)
　　2.1 ECB的設計與實現(xiàn)
　　ECB是實現(xiàn)信號量管理的基本數(shù)據(jù)結構，因此在設計實現(xiàn)信號量管理之前，要先完成ECB管理的設計與實現(xiàn)。本系統(tǒng)中ECB的結構參照μC/OS-II中ECB的結構設計。每個ECB存儲單元包含一個EventType（事件類型），用于標記當前ECB被分配給信號量、互斥型信號量、郵箱還是消息隊列；當一個ECB被分配給信號量時，Cnt做為信號量的計數(shù)器；ECB中的等待表lut用于存儲等待當前信號量任務的優(yōu)先級（μC/OS-II中沒有兩個任務有相同的優(yōu)先級）［3］。
　　ECB中等待表硬件實現(xiàn)的結構示意圖如圖2所示。等待表的結構類似一個8行8列的矩陣，存儲單元編號從00~77。當一個任務在申請當前信號量而沒有獲得時，應將當前任務設置為等待狀態(tài)，令Wr有效，以申請該信號量任務的優(yōu)先級為地址，進行譯碼，選通相應單元后再進行寫1操作。例如，申請該信號量的任務優(yōu)先級Sid為111111時，對其進行譯碼，高三位行地址譯碼為10000000，低三位列地址譯碼為10000000，選中77單元向其寫入1，則優(yōu)先級為111111的任務進入等待狀態(tài)。若要將一個處于等待表中的任務刪除，令De有效，同樣，根據(jù)地址線選通某一存儲單元，向單元內寫0，從而刪除某一處于等待狀態(tài)的任務。在控制電路中設置EventGrp 8位寄存器，用于記錄當前各行中是否有等待任務；如圖2所示，第i行中某一位置為1，EventGrp（i）=1，圖中狀態(tài)EventGrp（7）=1、EventGrp（6）=1、EventGrp（0）=0。Rd有效時，控制電路根據(jù)EventGrp采用一定算法生成優(yōu)先級的高三位；根據(jù)EventGrp讀出某行后生成優(yōu)先級低三位；下一時鐘送出最高優(yōu)先級。以上為對等待表進行基本讀寫操作的過程。