硬件实时操作系统信号量管理的设计与实现

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。

该硬件系统中ECB基本存储单元通过调用系统的IP核来实现，根据存储数据的不同，采用不同的IP核；多个基本单元通过一个上层文件生成一个ECB单元，每个单元再作为一个基本器件用于实现整个ECB的存储体。通过地址的译码选通ECB单元，根据控制信号对数据做读写操作。

2.2 创建/删除一个信号量

ECB是公共数据结构，在传统的操作系统中创建一个信号量时，首先需要申请一个ECB，初始化后才可以对这个信号量进行P/V等操作；在删除一个信号量后，要对信号量占用的ECB进行释放。创建信号量时，信号量管理模块首先要申请一个空ECB，查找ECB的整个存储体判断是否有空余的ECB。如果没有空余ECB，则信号量管理模块将获得一个申请失败信号；否则将获得一个空ECB的地址，并将其返回给创建该信号量的任务；再根据地址初始化ECB[3]。如果用硬件实现信号量管理后，按照以上过程进行操作会浪费很多时钟，数据在模块间来回传送增加通信次数，必然降低系统的执行速度。针对这个问题，提出了在信号量管理模块中设置一个用于记录ECB使用情况的映射表，如图3所示。为方便讨论，假设系统中ECB有64个(可以根据系统中ECB的个数来改变表的大小)，表的每个位置对应一个ECB，当某一位置为0时表示该位置对应的ECB空闲，为1时表示该位置对应的ECB被占用。如图3所示，第1行、第8列为1，表示偏移地址为000111的ECB被占用；第2行、第2 列为1，偏移地址为010010的ECB被占用。