詳解實時操作系統(tǒng)軟硬件調度器的設計方案

　引言
　　實時操作系統(tǒng)（RTOS），在整個嵌入式系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色，它就像人的大腦支配人的行為一樣，控制著整個系統(tǒng)的工作與運轉，一個RTOS性能的優(yōu)劣將對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生直接的影響。衡量一個RTOS的好壞有多種標準，實時性則為一個關鍵指標，并且隨著實時操作系統(tǒng)實際運用的加深及拓廣，對RTOS提出了更加嚴格的要求。在系統(tǒng)限定時間內響應處理外部事件已經(jīng)成為了對RTOS的一個基本要求。
　　任務調度，是RTOS的核心所在，任務間的通信、外部事件的處理以及中斷處理等都離不開任務調度的參與。而且隨著系統(tǒng)功能的完善與增強，任務間的關系變得更加復雜，需要與更多的外圍設備打交道，這就需要任務調度不斷地參與其中，從而導致系統(tǒng)性能的急劇下降、對事件實時響應能力的降低。任務調度則成為了RTOS性能的瓶頸，提高RTOS的整體性能則首先應當從提高任務調度的性能著手。將任務調度硬件化，無疑可以提升任務調度的性能，從而提高整個RTOS的性能。本文討論了三種任務調度的實現(xiàn)方法，分別為：軟件調度器模型、協(xié)處理器調度模型、硬件調度器模型，并在文章最后對其性能進行了測試。測試結果表明，硬件調度器模型具有良好的性能，相對協(xié)處理器方式需要更少的硬件實現(xiàn)邏輯單元。
　　系統(tǒng)功能的增強，使得任務間的調度以及任務之間的通信變得更加復雜，必將導致系統(tǒng)性能急劇降低。而且，隨著系統(tǒng)不斷完善，在實時嵌入式系統(tǒng)中，計算結果的正確性已經(jīng)不再是整個系統(tǒng)追求的目標，而實時性則成為整個系統(tǒng)面對的首要難題。如果將RTOS的調度功能由原來的純軟件實現(xiàn)轉變?yōu)橛布崿F(xiàn)，將極大的提高實時系統(tǒng)的實時性以及處理能力。
　　設計與實現(xiàn)
　　邏輯時序關系
　　圖1是操作系統(tǒng)以及應用程序都由單CPU運行的邏輯時序圖。由時序圖可以看出，在單CPU運行RTOS以及應用程序條件下，CPU不斷地在RTOS內核以及應用程序之間切換。即使在沒有外部中斷的情況下，CPU的運行都將在確定的時刻執(zhí)行任務調度程序（由系統(tǒng)時鐘觸發(fā)），例如t2、t4、t6等時刻。每次的任務調度都至少執(zhí)行以下四步操作：（1） 當前任務上下文內容的保存；（2） 操作系統(tǒng)內核態(tài)的恢復；（3） 操作系統(tǒng)內核態(tài)信息保存；（4） 新任務上下文內容恢復。即便調度前后，例如t1與t3時刻，CPU執(zhí)行相同的任務，也同樣要執(zhí)行上述的四步操作。很明顯，這樣的操作浪費了大量的CPU處理時間，執(zhí)行了大量的無謂的內容保存工作。
　　
　　Ti為第i個任務運行時間； CS+OS為任務上下文轉換時間以及RTOS所占用時間；INT中斷服務程序時間；C ST 為當前任務上下文內容保存時間； CR RTOS 為操作系統(tǒng)上下文恢復時間；RTOS為操作系統(tǒng)運行內核程序以及調度時間； CS RTOS 操作系統(tǒng)上下文保存時間； CR T 調度后新任務上下文恢復時間。
　　圖2為協(xié)處理器運行調度程序，而應用程序由主CPU運行，這樣調度程序和應用程序在時間上為并行執(zhí)行。當主CPU需要進行任務調度時，將會引發(fā)中斷，通知協(xié)處理器。在完成中斷處理以及任務上下文保存與恢復之后，主CPU 繼續(xù)執(zhí)行新的任務，這樣去除了RTOS進出內核態(tài)的上下文保存時間，無疑可以提升RTOS的整體性能。
　　設計實現(xiàn)
　　在上文中，已經(jīng)提到，將RTOS的調度以三種方式進行實現(xiàn)，分別為純軟件實現(xiàn)、協(xié)處理器實現(xiàn)以及純硬件實現(xiàn)。
　　為了實現(xiàn)這三種調度方法，采用了Xilinx公司的Virtex-II Pro系列的 XC2VP30 芯片，軟件平臺為EDK（embeded development kit）功能以及時序仿真采用Modelsim軟件。CPU采用EDK提供的MicroBlaze處理器模型，并集成64K的SRAM以及1M的FLASH建立一個最小的核心系統(tǒng)，作為該調度算法的核心硬件平臺。MicroBlaze為32位的哈佛結構的處理器，采用RISC指令集，為便于計算，設置其工作頻率為50MHz。