硬件实时操作系统的设计与实现

dy_TASK1_pro) then

cmp_level3_01_pro<= Ready_TASK0_pro；

cmp_level3_01_id<= Ready_TASK0_id；

else

cmp_level3_01_pro<=Ready_TASK1_pro；

cmp_level3_01_id<=Ready_TASK1_id；

end if；

end process；

每个比较单元以任务ID为索引，以优先级为比较内容，每次比较都将优先级高的任务送入下一级比较，经过2n－1次比较，可以把2n个任务中优先级最高的任务选出。硬件逻辑是物理并行执行的，所以与软件实现的实时操作系统调度内核相比，硬件调度内核的执行速度快，而且这种优势在多任务虚拟并行和高时钟节拍的情况下将更加明显。

硬件调度内核逻辑结构如图5所示，处理器和硬件调度内核之间通过接口总线通信。硬件调度内核在调度时机进行任务调度，调度时机在以下几种情况产生：(1)周期任务周期时间到达，任务状态由等待变为就绪。(2)延时时间到达，等待任务状态由等待变为就绪。(3)外部中断到达，中断任务状态由等待变为就绪。(4)应用程序调用由硬件RTOS提供的系统API改变了任务状态或优先级。

以上述第4种情况为例，描述调度执行过程如下：处理器在执行到应用程序调用的系统API时，将其转换成对应的命令和数据，经编码后传递到调度内核，触发硬件调度内核的一次调度时机。后者解析收到的数据，并执行调度操作，通过比较各任务优先级，计算出优先级最高的就绪任务。若该任务与当前处理器中正在运行的任务不同，则将该任务的ID号和堆栈终止地址利用通知中断回送给处理器。

2.2 中断管理模块的设计实现

普通任务控制块的中断号为0，而中断任务的中断号为大于0的整数值，并与中断号对应的外部中断相关。中断管理模块使用FPGA的I/O（输入/输出）管脚，每个管脚对应一个外部中断，一个或者多个外部中断对应一个中断处理任务。应用程序初始化阶段设定任务控制块中断号字段Int_Number，能注册中断处理任务。在FPGA中建立以外部中断为敏感信号的守护进程，当外部中断到达时，该进程将中断任务置于就绪状态，其伪代码如下：

process(Task_Int_Number)//外部中断为敏感信号

begin

if (Task_Int_Number’event and Task_Int_Number=0) then//下降沿触发

Task_State <=1；//任务置于就绪态

else

Task_State<=0；

end if；

end process；

硬件调度内核以任务状态为敏感信号，当外部中断通过中断管理模块使中断任务就绪时，会触发调度内核执行一次任务调度。中断管理模块的逻辑结构如图6所示。为了保证外部事件的实时处理，应用程序可为中断任务设置高于普通任务的优先级。

2.3 定时器管理模块的设计实现

　　定时器管理模块以FPGA外部晶振为基准进行分频，创建多个定时器以设定任务周期。与定时器关联的任务称作周期任务。定时器管理模块在每个定时器的周期到达后，使对应的周期任务就绪，触发调度内核进行任务调度。

　　设定任务控制块中的Timer_Number注册周期任务。如图7所示，定时器管理模块实现：（1）任务周期运行。在应用程序设置并使能周期计数器Timer_Counter后，每当系统时钟到达，计数器减1。当计数器为0时，触发对应的守护进程，使任务进入就绪态并重置周期计数器。任务状态的改变触发FPGA中的调度进程，执行一次任务调度。（2）任务延时。在应用程序设置并使能延时计数器Delay_Counter后，模块使任务变为等待状态。每次系统时钟到达，计数器减1。当计数器为0时，触发对应守护进程，使任务进入就绪态，并执行一次任务调度。

2.4 接口设计

接口总线的硬件由32位数据总线、5位地址总线、1个片选引线和1个通知中断引线构成。接口软件包括系统API和通知中断处理程序。

2.4.1 系统API的设计

系统API实现处理器中应用程序与硬件RTOS的交互。首先为任务调度内核、中断管理和定时器管理等各硬件模块分配处理器访问地址；然后，定义各模块使用的API，确定其功能和转换后向硬件RTOS发出的数据格式及内容。

任务管理API包括：创建任务（Task_Creat）、阻塞任务（Task_Block）、改变任务优先级（Task_Change_Prio）和改变任务状态（Task_Change_State）。

定时器管理API包括：设定分频值（Set_Timer_Fre）、使能周期任务（Set_Timer_Task）和延时（Delay）。

中断管理API包括：设定中断任务（Set_Int_Task）和等待中断（Wait_IRQ）。

下面以创建任务API为例，描述其伪代码和功能注释：

Task_Creat(ID,PRO,STATE)//创建任务，ID为任务索引， //PRO为优先级，STATE为起始状态

{

Senddata=0001∷ID：PRO：STATE；//拼装数据， //变成发送数据格式

&TASKADD=Senddata；//将数据发送给硬件RTOS

}

2.4.2 通知中断