实时操作系统软件调度器/硬件调度器的设计与实现

引言

实时操作系统(RTOS)，在整个嵌入式系统中扮演着十分重要的角色，它就像人的大脑支配人的行为一样，控制着整个系统的工作与运转，一个RTOS性能的优劣将对整个系统的性能产生直接的影响。衡量一个RTOS的好坏有多种标准，实时性则为一个关键指标，并且随着实时操作系统实际运用的加深及拓广，对RTOS提出了更加严格的要求。在系统限定时间内响应处理外部事件已经成为了对RTOS的一个基本要求。

任务调度，是RTOS的核心所在，任务间的通信、外部事件的处理以及中断处理等都离不开任务调度的参与。而且随着系统功能的完善与增强，任务间的关系变得更加复杂，需要与更多的外围设备打交道，这就需要任务调度不断地参与其中，从而导致系统性能的急剧下降、对事件实时响应能力的降低。任务调度则成为了RTOS性能的瓶颈，提高RTOS的整体性能则首先应当从提高任务调度的性能着手。将任务调度硬件化，无疑可以提升任务调度的性能，从而提高整个RTOS的性能。本文讨论了三种任务调度的实现方法，分别为：软件调度器模型、协处理器调度模型、硬件调度器模型，并在文章最后对其性能进行了测试。测试结果表明，硬件调度器模型具有良好的性能，相对协处理器方式需要更少的硬件实现逻辑单元。

系统功能的增强，使得任务间的调度以及任务之间的通信变得更加复杂，必将导致系统性能急剧降低。而且，随着系统不断完善，在实时嵌入式系统中，计算结果的正确性已经不再是整个系统追求的目标，而实时性则成为整个系统面对的首要难题。如果将RTOS的调度功能由原来的纯软件实现转变为硬件实现，将极大的提高实时系统的实时性以及处理能力。

设计与实现

逻辑时序关系

图1是操作系统以及应用程序都由单CPU运行的逻辑时序图。由时序图可以看出，在单CPU运行RTOS以及应用程序条件下，CPU不断地在RTOS内核以及应用程序之间切换。即使在没有外部中断的情况下，CPU的运行都将在确定的时刻执行任务调度程序(由系统时钟触发)，例如t2、t4、t6等时刻。每次的任务调度都至少执行以下四步操作：（1） 当前任务上下文内容的保存；（2） 操作系统内核态的恢复；（3） 操作系统内核态信息保存；（4） 新任务上下文内容恢复。即便调度前后，例如t1与t3时刻，CPU执行相同的任务，也同样要执行上述的四步操作。很明显，这样的操作浪费了大量的CPU处理时间，执行了大量的无谓的内容保存工作。

Ti为第i个任务运行时间； CS+OS为任务上下文转换时间以及RTOS所占用时间；INT中断服务程序时间；C ST 为当前任务上下文内容保存时间； CR RTOS 为操作系统上下文恢复时间；RTOS为操作系统运行内核程序以及调度时间； CS RTOS 操作系统上下文保存时间； CR T 调度后新任务上下文恢复时间。

图2为协处理器运行调度程序，而应用程序由主CPU运行，这样调度程序和应用程序在时间上为并行执行。当主CPU需要进行任务调度时，将会引发中断，通知协处理器。在完成中断处理以及任务上下文保存与恢复之后，主CPU 继续执行新的任务，这样去除了RTOS进出内核态的上下文保存时间，无疑可以提升RTOS的整体性能。

设计实现

在上文中，已经提到，将RTOS的调度以三种方式进行实现，分别为纯软件实现、协处理器实现以及纯硬件实现。

为了实现这三种调度方法，采用了Xilinx公司的Virtex-II Pro系列的 XC2VP30 芯片，软件平台为EDK（embeded development kit）功能以及时序仿真采用Modelsim软件。CPU采用EDK提供的MicroBlaze处理器模型，并集成64K的SRAM以及1M的FLASH建立一个最小的核心系统，作为该调度算法的核心硬件平台。MicroBlaze为32位的哈佛结构的处理器，采用RISC指令集，为便于计算，设置其工作频率为50MHz。

1.软件调度模型实现

软件调度模型系统由以下几部分组成：1）MicroBlaze处理器；2）RAM存储区；3）片上总线；4）中断以及时间控制模块；5）监控模块；6）UART接口。MicroBlaze处理器用于运行RTOS以及应用程序。应用程序的执行具有周期性的特点，而外部的中断则将打断这种周期性具有突发性的特点。MicroBlaze需实时处理两种不同类型的事件，这与实际应用情况相符合。监控模块是在EDK中一个特定模型的实现，用于监控外部单元与主CPU的通信过程（以中断方式或者轮询方式）。监控模块具有两个特定功能，获取当前系统时间以及向CPU发送中断信号。最后，将实测的调度时间数据通过UART接口发送至上位机，进行分析处理，以验证模型的性能。

2.协处理器调度模型实现

协处理器调度模型在软件调度模型基础上增加协处理器模块。该模型中，将RTOS的任务调度模块从主CPU中分离出来，并将该部分代码完全运行于协处理器中。协处理器需要完成任务状态以及任务堆栈管理，并通过DMA方式与主内存之间通信，实现同主CPU中任务各种状态以及信息的同步。

在协处理器调度模式下，当系统时钟产生中断时，不需要进行任务调度的工作，只有当主CPU需要进行任务调度时，通知协处理器等待挂起的任务号以及其上下文内容，协处理器将该任务完整保存之后，将处于最高优先级的就绪态任务及其上下文内容送入主CPU，完成任务调度。

由协处理器模式下调度的整个流程可以看出，任务的调度完全由主CPU发起，任务的调度只是发生在需要调度的时刻，同时由于协处理器参与了调度的工作，主CPU不需要进入内核态来实现任务调度，这极大的提高了主CPU的有效工作效率。

3.硬件调度器模型实现

硬件调度器模型将调度的功能完全用专用的硬件IP核实现。见图3，整个系统包含图3中去除协处理器的所有部分。调度模块具有与协处理器相同的功能，但是调度模块完全由时序以及逻辑模块组成，不具有协处理器智能化的特性，其开发难度也相对较大。但是正是由于调度模块采用的时序以及逻辑模块组合的结构，其实现无需程序控制，故调度速度要高于协处理器调度模式。

整个调度模块由三部分组成，见图4：调度核、任务管理、通信接口。通信接口将CPU传送过来以及调度核的指令进行翻译转换，实现CPU与调度核之间的通信。调度核控制任务管理，将等待挂起的任务以及最高就绪态的任务号发送给任务管理器，同时与CPU交互信息，从CPU获取系统时间等各种有用信息。任务管理则负责各种任务状态的切换，将调度核发送过来的等待挂起的任务置入等待队列，而将最高优先级的任务标志为运行态，交由调度核并发送给CPU。


性能测试及结论

为了验证三种调度模型的性能，采用了如下的测试方法。应用程序由10个相同功能的任务组成，任务的序号分别为1到10，每个任务运行确定时间之后，挂起自身而运行任务号加1的任务。异步中断通过外部按键人为触发，一个始终处于挂起态的任务用于接收按键消息，并处理。按键消息处理之后，任务将自身挂起。图5为主机通过串口获取的任务切换信息，并通过matlab绘制的图形。从图可以看出，三种调度器性能由低到高分别为软件调度模型、协处理器调度模型、硬件调度模型。


结语

本文介绍了三种RTOS的调度器实现模型，软件调度模型为当前最常用的也最稳定的调度模型，其实现简单，且硬件成本低；协处理器调度模型具有较高的性能，但是由于采用协处理器的支持，无疑增加了硬件成本，RTOS的调度由协处理器完成，减轻了主CPU的负担，但是协处理器的调度过程实际上也由软件实现，其整体的调度速度不是很高，其性能提升 只是在减小主CPU的调度次数以及避免进入内核态上；硬件调度模型具有最高的效率，虽然模块开发调试复 杂繁琐，但是与协处理器调度模式相比，占用更少的硬件资源，而且效率高于协处理器方式，必将极大地提高系统性能。综上所述，三种RTOS各具有自身特点，在具体的实现过程中，需要考虑系统的特性折中选择实现方式。与当前流行的调度模式相比，硬件调度模型具有更高的性能，必将成为今后RTOS发展的一个方向。