隨著科技的進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)的功能逐漸由簡(jiǎn)單向復(fù)雜發(fā)展，開(kāi)發(fā)難度也隨之提高。嵌入式操作系統(tǒng)的使用，屏蔽了部分硬件信息，提供給開(kāi)發(fā)者統(tǒng)一的平臺(tái)，降低了開(kāi)發(fā)難度，提高了代碼的重復(fù)利用率。在一些特殊的領(lǐng)域（醫(yī)療、汽車、航空航天），對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求非常高。在這些場(chǎng)合，任務(wù)必須在給定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)并正確完成。而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（Real Time OperatiON System）本身的運(yùn)行，必然會(huì)引起性能的下降，在任務(wù)數(shù)量增加時(shí)，這種下降更加明顯。例如，使用uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在PowerPC處理器上運(yùn)行，在TimeTick（時(shí)鐘節(jié)拍）周期為10 ？滋s、運(yùn)行64個(gè)任務(wù)的情況下，TimeTick中斷函數(shù)占用的CPU時(shí)間已達(dá)到42%［1］。
　　目前，RTOS軟件層面的研究已經(jīng)很成熟，可有效提高RTOS性能的方法有以下幾種：
　　（1）提高處理器的運(yùn)行頻率［2］。這對(duì)功耗相當(dāng)敏感的嵌入式系統(tǒng)并不是好方法。同時(shí)高頻時(shí)鐘所引起的電磁干擾對(duì)電路板布線的要求也更高；
　?。?）設(shè)計(jì)專用于RTOS系統(tǒng)服務(wù)的硬件。硬件對(duì)相同的操作可并行處理。如果設(shè)計(jì)一種硬件，在任務(wù)數(shù)量或TimeTick頻率增加的情況下，系統(tǒng)也能在固定的時(shí)鐘周期內(nèi)完成所有任務(wù)域的更新，從而降低RTOS運(yùn)行所占的CPU時(shí)間。
　　本文設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)加速RTA（Real-Time Acceleration）模塊，對(duì)任務(wù)調(diào)度和系統(tǒng)時(shí)間管理進(jìn)行硬件化，降低了任務(wù)中斷時(shí)間，并對(duì)最終的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。
　　1 RTA的硬件設(shè)計(jì)
　　本文的硬件平臺(tái)使用OR1200［3］ CPU，它是一款由OpenCores網(wǎng)站維護(hù)的開(kāi)放源代碼CPU，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可見(jiàn)可修改，且沒(méi)有版權(quán)問(wèn)題。RTA模塊作為從設(shè)備連接到Wishbone總線［4］上。在RTA模塊中，由硬件實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理和時(shí)間管理。RTA中的寄存器全部映射到內(nèi)存空間上，軟件通過(guò)對(duì)寄存器的訪問(wèn)來(lái)控制RTA模塊的運(yùn)行。
　　該專用硬件可分成如下兩部分：
　　（1）任務(wù)管理和時(shí)間管理部分。RTA模塊支持64個(gè)任務(wù)，使用基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，每個(gè)任務(wù)有唯一的優(yōu)先級(jí)。RTA只在需要任務(wù)切換時(shí)才中斷CPU。時(shí)間延時(shí)的最小單位是TimeTick（時(shí)鐘節(jié)拍），最長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)可達(dá)65 535個(gè)TimeTick；
　　（2）用于產(chǎn)生TimeTick信號(hào)的Timer（計(jì)時(shí)器）。RTA必須有獨(dú)立的Timer為其產(chǎn)生TimeTick信號(hào)。在本文中，利用OR1200自帶的Timer完成此工作。
　　本文使用的系統(tǒng)是在μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。該RTOS由Micrium網(wǎng)站維護(hù)，已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品［5］。整個(gè)軟硬件的實(shí)現(xiàn)在FPGA開(kāi)發(fā)板DE2-70上完成，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為25 MHz。
　　1.1 任務(wù)管理和時(shí)間管理
　　任務(wù)管理和時(shí)間管理的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
　　
　　每個(gè)任務(wù)都有4個(gè)域：TaskValid、OSTCBStat、OSTCBDly和OSTCBStatPend。每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)任務(wù)就緒標(biāo)志TaskReady，RTA通過(guò)PrioBitmapToBinary模塊找到最高的優(yōu)先級(jí)并送給HighestPrio。在CPU響應(yīng)外部中斷或者給調(diào)度器上鎖時(shí)，可以通過(guò)OSIntNesting和OSLockNesting寄存器關(guān)閉RTA的中斷。
　　μC/OS-II實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核中，任務(wù)調(diào)度基于TimeTick完成，由于程序只能順序執(zhí)行，任務(wù)的timedly域更新也是順序執(zhí)行的，從而使得調(diào)度函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間與運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量有關(guān)。在RTA模塊中，基于TimeTick的調(diào)度機(jī)制并沒(méi)有改變，只是原型中順序執(zhí)行的timedly更新，在硬件中可以同時(shí)執(zhí)行。在使用RTA模塊的系統(tǒng)中，移去了軟件中的用于任務(wù)調(diào)度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地在硬件中予以實(shí)現(xiàn)。
　　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。