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(zhuǎn)，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(nèi)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)度的性能著手。將任務調(diào)度硬件化，無疑可以提升任務調(diào)度的性能，從而提高整個RTOS的性能。本文討論了三種任務調(diào)度的實現(xiàn)方法，分別為：軟件調(diào)度器模型、協(xié)處理器調(diào)度模型、硬件調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)度功能由原來的純軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(nèi)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(diào)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(diào)度都至少執(zhí)行以下四步操作：（1） 當前任務上下文內(nèi)容的保存；（2） 操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)的恢復；（3） 操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)信息保存；（4） 新任務上下文內(nèi)容恢復。即便調(diào)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)核程序以及調(diào)度時間； CS RTOS 操作系統(tǒng)上下文保存時間； CR T 調(diào)度后新任務上下文恢復時間。

圖2為協(xié)處理器運行調(diào)度程序，而應用程序由主CPU運行，這樣調(diào)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(diào)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(nèi)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(diào)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(diào)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(diào)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。

1.軟件調(diào)度模型實現(xiàn)

軟件調(diào)度模型系統(tǒng)由以下幾部分組成：1）MicroBlaze處理器；2）RAM存儲區(qū)；3）片上總線；4）中斷以及時間控制模塊；5）監(jiān)控模塊；6）UART接口。MicroBlaze處理器用于運行RTOS以及應用程序。應用程序的執(zhí)行具有周期性的特點，而外部的中斷則將打斷這種周期性具有突發(fā)性的特點。MicroBlaze需實時處理兩種不同類型的事件，這與實際應用情況相符合。監(jiān)控模塊是在EDK中一個特定模型的實現(xiàn)，用于監(jiān)控外部單元與主CPU的通信過程（以中斷方式或者輪詢方式）。監(jiān)控模塊具有兩個特定功能，獲取當前系統(tǒng)時間以及向CPU發(fā)送中斷信號。最后，將實測的調(diào)度時間數(shù)據(jù)通過UART接口發(fā)送至上位機，進行分析處理，以驗證模型的性能。

2.協(xié)處理器調(diào)度模型實現(xiàn)

協(xié)處理器調(diào)度模型在軟件調(diào)度模型基礎上增加協(xié)處理器模塊。該模型中，將RTOS的任務調(diào)度模塊從主CPU中分離出來，并將該部分代碼完全運行于協(xié)處理器中。協(xié)處理器需要完成任務狀態(tài)以及任務堆棧管理，并通過DMA方式與主內(nèi)存之間通信，實現(xiàn)同主CPU中任務各種狀態(tài)以及信息的同步。

在協(xié)處理器調(diào)度模式下，當系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生中斷時，不需要進行任務調(diào)度的工作，只有當主CPU需要進行任務調(diào)度時，通知協(xié)處理器等待掛起的任務號以及其上下文內(nèi)容，協(xié)處理器將該任務完整保存之后，將處于最高優(yōu)先級的就緒態(tài)任務及其上下文內(nèi)容送入主CPU，完成任務調(diào)度。

由協(xié)處理器模式下調(diào)度的整個流程可以看出，任務的調(diào)度完全由主CPU發(fā)起，任務的調(diào)度只是發(fā)生在需要調(diào)度的時刻，同時由于協(xié)處理器參與了調(diào)度的工作，主CPU不需要進入內(nèi)核態(tài)來實現(xiàn)任務調(diào)度，這極大的提高了主CPU的有效工作效率。

3.硬件調(diào)度器模型實現(xiàn)

硬件調(diào)度器模型將調(diào)度的功能完全用專用的硬件IP核實現(xiàn)。見圖3，整個系統(tǒng)包含圖3中去除協(xié)處理器的所有部分。調(diào)度模塊具有與協(xié)處理器相同的功能，但是調(diào)度模塊完全由時序以及邏輯模塊組成，不具有協(xié)處理器智能化的特性，其開發(fā)難度也相對較大。但是正是由于調(diào)度模塊采用的時序以及邏輯模塊組合的結構，其實現(xiàn)無需程序控制，故調(diào)度速度要高于協(xié)處理器調(diào)度模式。

整個調(diào)度模塊由三部分組成，見圖4：調(diào)度核、任務管理、通信接口。通信接口將CPU傳送過來以及調(diào)度核的指令進行翻譯轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)CPU與調(diào)度核之間的通信。調(diào)度核控制任務管理，將等待掛起的任務以及最高就緒態(tài)的任務號發(fā)送給任務管理器，同時與CPU交互信息，從CPU獲取系統(tǒng)時間等各種有用信息。任務管理則負責各種任務狀態(tài)的切換，將調(diào)度核發(fā)送過來的等待掛起的任務置入等待隊列，而將最高優(yōu)先級的任務標志為運行態(tài)，交由調(diào)度核并發(fā)送給CPU。


性能測試及結論

為了驗證三種調(diào)度模型的性能，采用了如下的測試方法。應用程序由10個相同功能的任務組成，任務的序號分別為1到10，每個任務運行確定時間之后，掛起自身而運行任務號加1的任務。異步中斷通過外部按鍵人為觸發(fā)，一個始終處于掛起態(tài)的任務用于接收按鍵消息，并處理。按鍵消息處理之后，任務將自身掛起。圖5為主機通過串口獲取的任務切換信息，并通過matlab繪制的圖形。從圖可以看出，三種調(diào)度器性能由低到高分別為軟件調(diào)度模型、協(xié)處理器調(diào)度模型、硬件調(diào)度模型。


結語

本文介紹了三種RTOS的調(diào)度器實現(xiàn)模型，軟件調(diào)度模型為當前最常用的也最穩(wěn)定的調(diào)度模型，其實現(xiàn)簡單，且硬件成本低；協(xié)處理器調(diào)度模型具有較高的性能，但是由于采用協(xié)處理器的支持，無疑增加了硬件成本，RTOS的調(diào)度由協(xié)處理器完成，減輕了主CPU的負擔，但是協(xié)處理器的調(diào)度過程實際上也由軟件實現(xiàn)，其整體的調(diào)度速度不是很高，其性能提升 只是在減小主CPU的調(diào)度次數(shù)以及避免進入內(nèi)核態(tài)上；硬件調(diào)度模型具有最高的效率，雖然模塊開發(fā)調(diào)試復 雜繁瑣，但是與協(xié)處理器調(diào)度模式相比，占用更少的硬件資源，而且效率高于協(xié)處理器方式，必將極大地提高系統(tǒng)性能。綜上所述，三種RTOS各具有自身特點，在具體的實現(xiàn)過程中，需要考慮系統(tǒng)的特性折中選擇實現(xiàn)方式。與當前流行的調(diào)度模式相比，硬件調(diào)度模型具有更高的性能，必將成為今后RTOS發(fā)展的一個方向。