μC/OS-II的實(shí)時(shí)系統(tǒng)加速模塊設(shè)計(jì)
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時(shí)間：2013-10-15
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當(dāng)有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生RTA中斷。硬件實(shí)現(xiàn)上，當(dāng)進(jìn)入就緒態(tài)的上個(gè)時(shí)鐘周期的最高優(yōu)先級(jí)和本時(shí)刻的最高優(yōu)先級(jí)不同時(shí)，便產(chǎn)生中斷信號(hào)。在μC/OS-II中，每個(gè)TimeTick時(shí)刻都會(huì)發(fā)生中斷，這就需要更頻繁地保存CPU寄存器，相比本文提出的方法，浪費(fèi)了更多的CPU時(shí)間。
1.2 TimeTick信號(hào)的產(chǎn)生
RTA的運(yùn)行需要一個(gè)可配置的Timer來(lái)為其產(chǎn)生TimeTick信號(hào)。在本文中，通過(guò)對(duì)OR1200進(jìn)行改造，利用其內(nèi)部的Timer產(chǎn)生中斷信號(hào)作為RTA任務(wù)調(diào)度的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘節(jié)拍，而將RTA的中斷信號(hào)連接到原來(lái)Timer在CPU的接口處。這樣，CPU通過(guò)Wishbone總線(xiàn)可對(duì)Timer進(jìn)行讀寫(xiě)，且RTA產(chǎn)生的中斷不會(huì)占用可編程中斷控制器PIC（Programmable Interrupt Controller）。改造后的框圖如圖2所示。
1.3 軟件實(shí)現(xiàn)
因?yàn)槿蝿?wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變，源碼中所有涉及到任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)都要進(jìn)行修改。由于任務(wù)調(diào)度和時(shí)間處理由RTA模塊執(zhí)行，原先執(zhí)行TimeTick的中斷函數(shù)要作相應(yīng)修改，在中斷時(shí)，只需讀取RTA中HighestPrio寄存器，然后做上下文切換，運(yùn)行該優(yōu)先級(jí)的任務(wù)即可。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本實(shí)驗(yàn)使用的CPU為OR1200，CPU和所有的外設(shè)都通過(guò)Wishbone總線(xiàn)連接，系統(tǒng)時(shí)鐘為25 MHz。在Altera的Cyclone II FPGA平臺(tái)上,使用Quartus8.1工具對(duì)RTA進(jìn)行布局布線(xiàn),其共占用4 197個(gè)邏輯單元LE(Logic Element）。
任務(wù)響應(yīng)時(shí)間是RTOS性能的一個(gè)重要指標(biāo)，其定義為：從任務(wù)中斷產(chǎn)生的時(shí)刻起，到恢復(fù)任務(wù)執(zhí)行之間的時(shí)間。試驗(yàn)中，利用自定義的Timer作為測(cè)量標(biāo)尺，在2個(gè)測(cè)試點(diǎn)各讀取一次，相減后的數(shù)值再乘以此Timer的周期，便得到該段測(cè)試時(shí)間。圖3是有硬件加速和無(wú)硬件加速的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，單位是系統(tǒng)時(shí)鐘周期。
從圖中3可以看出，在無(wú)硬件支持的RTOS中，隨著任務(wù)數(shù)的增加，任務(wù)響應(yīng)時(shí)間也隨之呈線(xiàn)性增加。其原因是，程序順序執(zhí)行，在無(wú)硬件加速的情況下，RTOS內(nèi)核在每個(gè)TimeTick中斷都要對(duì)任務(wù)的延時(shí)域進(jìn)行順序更新。隨著任務(wù)的增加，延時(shí)域的處理時(shí)間也增長(zhǎng)。有硬件加速支持時(shí)，任務(wù)響應(yīng)時(shí)間縮短，而且與正在運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量沒(méi)有關(guān)系。這是因?yàn)樗腥蝿?wù)的延時(shí)域都同時(shí)更新，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)即可全部完成。所以使用RTA模塊后，降低了系統(tǒng)本身占用CPU的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性?？梢?jiàn)，在添加RTA模塊后RTOS的性能得到了提高。
本文將μC/OS-II系統(tǒng)中調(diào)用頻繁的任務(wù)調(diào)度和時(shí)間管理采用硬件實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了降低系統(tǒng)負(fù)載、穩(wěn)定任務(wù)響應(yīng)時(shí)間、提高系統(tǒng)可預(yù)測(cè)性的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本硬件，任務(wù)中斷響應(yīng)時(shí)間可降低85.8%。
評(píng)論