CN101706739A - 一种实时操作系统uCOS-Ⅱ的任务调度算法的硬件实现方法 - Google Patents

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一种实时操作系统uCOS-Ⅱ的任务调度算法的硬件实现方法，属于任务调度算法硬件实现领域。本发明的技术方案是：(1)硬件保存每个任务的调度相关信息，接收外部时钟TimeTick信号，每次TimeTick信号有效时，任务延时信息自动减1，至0为止，表示延时时间到；(2)根据任务状态、延时信息等判断任务是否就绪；(3)硬件计算就绪任务中的最高优先级任务号；(4)根据就绪最高优先级任务号、当前运行任务优先级号、中断嵌套标志、调度锁标志信息，决定是否发出任务切换中断；(5)软件只需响应中断并执行任务切换。本发明硬件实现uCOS-Ⅱ的任务调度算法与延时处理，显著提高了系统的实时性和可预测性。

Description

一种实时操作系统uCOS-Ⅱ的任务调度算法的硬件实现方法
技术领域
本发明涉及一种实时操作系统uCOS-II的任务调度算法的硬件实现方法，属于任务调度算法硬件实现领域。
背景技术
嵌入式实时系统领域中，实时操作系统RTOS提供了实时机制与标准的编程模型，部分屏蔽了多任务时序控制的复杂性，降低了实时系统的开发难度，但RTOS软件本身的运行同时引入了任务处理的延时，很大程度上限制了所能完成的实时任务的最高频率。
RTOS要实现的基本功能：任务管理(任务创建、调度等)、时间管理(时钟中断、延时信息域维护等)、事件管理(包括信号量、互斥锁、消息队列、FLAG等)。RTOS一般采用可抢占方式设计，在中断处理函数中需要保存与恢复现场，更新任务延时信息、更新任务状态、执行调度算法、实现任务切换，这些操作需要大量的指令完成，执行这些操作势必会降低系统性能，增大中断响应时间，降低系统可预测性，而这些操作又是维持RTOS本身正常运行而频繁执行的操作，造成的结果就是：虽然系统时钟可能为几十MHz，但能处理的实时任务的最大频率却只能在几百Hz甚至是几十Hz。当有更高频率的实时任务要求时，可以采用提高系统时钟的方法，但此方案有很大的弊端：(1)所选用的CPU或者PCB不能支持更高频率；(2)高时钟频率一般意味着高功耗，这会带来更多的问题；(3)高精度TimeTick中断会使RTOS本身占用CPU的比重增大，文献研究表明，uC/OS-II在PowerPC处理器上测试结果显示，软件实现的uC/OS-II的时钟中断处理时间随系统任务数增加而增长，当TimeTick精度提高到10usec时，RTOS本身占用CPU的时间近乎42％。
随着RTOS系统软件的成熟，其功能、算法日趋稳定，RTOS本身带来的性能损耗已很难再依赖改进软件算法来降低。将RTOS中公用的、性能相关的操作(如任务调度、时间管理、事件处理、中断现场的保护与恢复等)用硬件方式实现，提高整个实时系统的性能，使整个系统具有100％可预测性与确定性，确保系统的硬实时性，已成为嵌入式实时系统领域中前沿课题和研究热点。开展实时操作系统的硬件化加速研究，创建硬件加速嵌入式实时系统平台，可以在较低的时钟频率下满足更高的实时任务要求，在嵌入式实时控制领域有重要的应用前景。
发明内容
一种实时操作系统uCOS-II的任务调度算法的硬件实现方法，其特征在于：
(1)硬件保存每个任务的调度相关信息，接收外部时钟TimeTick信号，每次TimeTick信号有效时，任务延时信息自动减1，至0为止，表示延时时间到，即所有任务的延时信息处理由硬件在1个时钟周期内完成；
(2)根据任务状态、延时信息等判断任务是否就绪；
(3)硬件计算就绪任务中的最高优先级任务号；
(4)根据就绪最高优先级任务号、当前运行任务优先级号、中断嵌套标志、调度锁标志信息，决定是否发出任务切换中断；
(5)软件只需响应中断并执行任务切换。
本发明硬件实现uCOS-II的任务调度算法与延时处理，显著提高了系统的实时性和可预测性。
附图说明
图1是本发明涉及的硬件功能电路框图
图2是采用本发明涉及的方法，设计的wishbone总线接口的uCOS-II实时操作系统硬件加速模块在实际系统中的连接图，本发明涉及的模块是图2中的RTA模块。
具体实施方式
本实现例具体说明如何应用本发明方法，设计wishbone总线接口的uCOS-II实时操作系统硬件加速知识产权模块(IP核)。
(1)硬件保存每个任务的调度相关信息：TaskValid指示本任务是否有效；OSTCBDly保存本任务的延时信息；OSTCBStat指示任务状态；OSTCBStatPend指示任务Pend状态。
(2)外部输入的时钟TimeTickTrig信号，触发每个任务控制块中OSTCBDly减1，直至0为止。
(3)每个任务就绪信号TaskReadyN与TaskValid、OSTCBDLy、OSTCBStat有关，实现逻辑为：TaskReadyN＝TaskValidN &(OSTCBStatN＝＝`OS_STAT_RDY)&(OSTCBDlyN＝＝16’h0)；
(4)PrioBitmapToBinary模块实现从就绪任务中找出最高优先级任务任务号的功能，输出HighestPrio信号。
(5)中断逻辑模块Interrupt Logic接受当前CPU运行任务SW_Task_Cur、目前就绪的最高优先级任务HighestPrio、本设计模块使能信号RTA_Control、中断嵌套标识OSIntNesting、调度锁信号OSLockNesting，决定是否产生任务切换中断，实现逻辑为：
wb_inta_o＝RTA_Control &(HighestPrio ！＝SW_TASK_Cur)&(OSIntNesting＝＝8’h00)&(OSLockNesting＝＝8’h00)；
(6)模块内部寄存器的读写均采用wishbone总线接口
(7)软件与硬件配合：软件在创建新任务、设置任务延时信息、设置中断嵌套标志、设置调度锁时，向硬件相应寄存器写入数值，之后只需响应硬件的任务切换中断信号，在中断服务程序中，无需维护任务延时信息，无需计算当前就绪最高任务号，无需判断是否需要任务切换，直接执行任务切换动作，大大减少了中断响应时间与关中断时间，提高了系统的实时性。
整个实例系统连接关系如图2所示。采用的是开源32位微处理器OR1200，其内部集成中断控制器PIC，时钟模块TimeTick，CPU的except处理模块处理PIC与TimeTick产生的中断指示信号，本发明涉及的模块RTA，外部的TimeTickTrig信号接的是OR1200 TimeTick的输出信号，同时用RTA产生的中断信号替换TimeTick接入except的sig_tick信号，其含义变为任务切换信号sig_task.

Claims (2)

1.一种实时操作系统uCOS-II的任务调度算法的硬件实现方法，其特征在于：
(1)硬件保存每个任务的调度相关信息，接收外部时钟TimeTick信号，每次TimeTick信号有效时，任务延时信息自动减1，至0为止，表示延时时间到；
(2)根据任务状态、延时信息等判断任务是否就绪；
(3)硬件计算就绪任务中的最高优先级任务号；
(4)根据就绪最高优先级任务号、当前运行任务优先级号、中断嵌套标志、调度锁信息，决定是否发出任务切换中断；
(5)软件只需响应中断并执行任务切换。
2.一种根据权利要求1所述方法，设计实时操作系统uCOS-II的任务调度算法硬件实现知识产权模块(IP核)的方法，其特征在于：
(1)核心电路采用权利要求1中(1)、～(4)所述方法
(2)外部接口采用主流片上总线接口(如wishbone，avalon，amba等)，实现对核心电路内部寄存器的读写与控制。
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