硬件实时操作系统信号量管理的设计解析

随着嵌入式技术的发展，实时操作系统RTOS（Real Time Operating System）被越来越多地应用在嵌入式系统中，但是对现有基于软件实现的RTOS，单纯依靠改进调度算法已经不能使系统的实时性有很大提高。为提高系统的响应能力，国内外一些研究机构提出RTOS硬化的方法，并开始做这方面的研究工作［1］。目前，软件硬化常用的有两种方法：（1）微程序方式，特点是成本较低，方便灵活；（2）组合逻辑方式，特点是速度快、可靠性高，随着大规模集成电路的发展，这种方式逐渐显示出优越性［2］。信号量管理是RTOS中频繁运行的程序段之一，如果将这一部分用硬件实现，对提高机器的速度将有很明显的效果。本文采用组合逻辑方式参照μC/OS-II将信号量管理及ECB管理硬化到一片芯片上，作为独立的模块与处理器并行工作。
　　1 信号量管理的工作原理
　　μC/OS-II中信号量主要数据结构由两部分组成：（1）信号量的计数值Cnt。当数值为正时用于记录可使用的资源数，当数值为负，其绝对值表示等待当前信号量的任务个数；（2）等待该信号量的任务列表。信号量的基本数据结构需要申请一个ECB来存储。一个任务或ISR可以通过ECB向另外的任务发信号，一个任务可以等待另一个任务或中断服务子程序给它发送信号，多个任务可同时等待同一个事件的发生［3］。当事件发生后，等待该事件的优先级最高的任务进入就绪状态，触发一次任务调度［3］。任务或者中断服务子程序都可以给ECB发信号，对ECB进行操作。
　　信号量管理的工作原理框图如图1所示。信号量管理模块以及事件控制块管理都是独立于CPU的逻辑结构，都可以直接从数据总线上获得数据信息进行处理，在信号量管理模块与ECB的存储模块间建立一条数据通路，在不增加总线负担的情况下加快二者间的通信。这些硬件逻辑独立于CPU工作，减少了CPU的工作，从而提高系统的响应能力。
　　
　　2 信号量管理的硬件设计与实现
　　2.1 ECB的设计与实现
　　ECB是实现信号量管理的基本数据结构，因此在设计实现信号量管理之前，要先完成ECB管理的设计与实现。本系统中ECB的结构参照μC/OS-II中ECB的结构设计。每个ECB存储单元包含一个EventType（事件类型），用于标记当前ECB被分配给信号量、互斥型信号量、邮箱还是消息队列；当一个ECB被分配给信号量时，Cnt做为信号量的计数器；ECB中的等待表lut用于存储等待当前信号量任务的优先级（μC/OS-II中没有两个任务有相同的优先级）［3］。
　　ECB中等待表硬件实现的结构示意图如图2所示。等待表的结构类似一个8行8列的矩阵，存储单元编号从00~77。当一个任务在申请当前信号量而没有获得时，应将当前任务设置为等待状态，令Wr有效，以申请该信号量任务的优先级为地址，进行译码，选通相应单元后再进行写1操作。例如，申请该信号量的任务优先级Sid为111111时，对其进行译码，高三位行地址译码为10000000，低三位列地址译码为10000000，选中77单元向其写入1，则优先级为111111的任务进入等待状态。若要将一个处于等待表中的任务删除，令De有效，同样，根据地址线选通某一存储单元，向单元内写0，从而删除某一处于等待状态的任务。在控制电路中设置EventGrp 8位寄存器，用于记录当前各行中是否有等待任务；如图2所示，第i行中某一位置为1，EventGrp（i）=1，图中状态EventGrp（7）=1、EventGrp（6）=1、EventGrp（0）=0。Rd有效时，控制电路根据EventGrp采用一定算法生成优先级的高三位；根据EventGrp读出某行后生成优先级低三位；下一时钟送出最高优先级。以上为对等待表进行基本读写操作的过程。