高承，王正彥

(青島大學(xué)，青島 266071)

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FPGA設(shè)計(jì)中信號量管理的硬件電路設(shè)計(jì)

高承，王正彥

(青島大學(xué)，青島 266071)

摘要:在對嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II中任務(wù)之間通信進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了將信號量的管理用基于FPGA設(shè)計(jì)的硬件電路來完成，同時(shí)保證新的混合式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對用戶來說是透明的，即保證了混合式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的可移植性。經(jīng)過設(shè)計(jì)和不斷地改進(jìn)，混合式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成功的移植到Altera公司的DE2-70開發(fā)板上,并完成了信號量管理的測試。這是一次探索性的設(shè)計(jì)，是混合式嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一部分。

關(guān)鍵詞:RTOS；FPGA；Nios II；信號量

引言

隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)獲得了廣闊的發(fā)展空間。目前嵌入式技術(shù)已成為智能領(lǐng)域的核心技術(shù)，特別是物聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)為嵌入式系統(tǒng)提供了廣闊的應(yīng)用空間。

嵌入式系統(tǒng)推動了物聯(lián)網(wǎng)的崛起，物聯(lián)網(wǎng)的崛起，也帶來嵌入式系統(tǒng)巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ锫?lián)網(wǎng)的核心設(shè)備是智能終端，物聯(lián)的實(shí)現(xiàn)就是智能終端的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)又是智能終端的“大腦”和“中樞神經(jīng)”，因此嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心推動力。嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件與軟件高度融合的智能體，已經(jīng)形成了巨大的技術(shù)空間和人才市場。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)行平臺，其性能的好壞直接影響嵌入式系統(tǒng)性能的高低。

傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)核和應(yīng)用程序是放在一起的，內(nèi)核任務(wù)的優(yōu)先級一般高于應(yīng)用程序任務(wù)的優(yōu)先級，因此內(nèi)核任務(wù)優(yōu)先享有CPU使用權(quán)，進(jìn)而使應(yīng)用程序的執(zhí)行效率降低。目前，提高嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)處理能力主要是通過使用更高主頻和更多位數(shù)的處理器，或者是改進(jìn)軟件編程算法來實(shí)現(xiàn)。但是處理器主頻和位數(shù)的提高受限于當(dāng)前的制造工藝，而軟件編程算法已經(jīng)不能使其實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。因此，單純依靠這兩種方式來提高嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的處理能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。鑒于硬件電路在處理并發(fā)性任務(wù)時(shí)的優(yōu)異表現(xiàn)，越來越多的研究人員開始將目光轉(zhuǎn)向硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(HRTOS)，而近年來不斷發(fā)展的FPGA也為完成一個(gè)硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了很大的便利。

從20世紀(jì)80年代開始，國外就提出了硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念。美國的JAEHWAN LEE和INCENT JOHN MOOENY III在分析比較了RTOS調(diào)度器的軟件、硬件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出專用硬件IP核實(shí)現(xiàn)RTOS調(diào)度器，將會大大提高RTOS的工作效率。任務(wù)調(diào)度是RTOS的核心所在，任務(wù)間的通信、外部時(shí)間的處理以及中斷處理等都離不開任務(wù)調(diào)度的參與。

巴西的MELLISSA VETROMILLE和LUCIANO OST分析并對比了將RTOS系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度器分別采用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)的效率，結(jié)果表明硬件調(diào)度模型具有更高的性能。

美國馬里蘭大學(xué)的PAUL KOHOUT、BRINDA GANESH和BRUCE JACOB 實(shí)現(xiàn)了硬件實(shí)時(shí)任務(wù)管理，結(jié)果也同樣表明由硬件來完成最為耗時(shí)的任務(wù)管理所用時(shí)間更短且更可靠。

東北大學(xué)的尹振宇、趙海、許久強(qiáng)等提出了一種基于硬件操作系統(tǒng)(HOS)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在處理器中添加微代碼處理邏輯及硬件處理模塊，將比較耗時(shí)的操作采用硬件來實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)國內(nèi)外的發(fā)展趨勢，目標(biāo)都是設(shè)計(jì)一款獨(dú)立的硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。但是，獨(dú)立的硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可移植性也就不夠強(qiáng)?；诳梢浦残缘目紤]，通過在已有的軟件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，采用軟硬件結(jié)合的方式來設(shè)計(jì)一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，既可以提高效率，又能夠保證可移植性。

1混合式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

1.1實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和平臺的選擇

μC/OS-II[1]由Micrium公司提供，是一個(gè)可移植、可固化、可裁減、占先式、多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。它提供了基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度與管理、任務(wù)間同步通信、時(shí)間管理和中斷服務(wù)、內(nèi)存管理等功能。整個(gè)內(nèi)核基本上都是由C語言編寫而成，只有少部分CPU 硬件相關(guān)部分是采用匯編語言編寫的(匯編語言總量只有約200行)，便于移植到任何一種其他的CPU 上。正是由于這些優(yōu)勢，所以選用μC/OS-II作為混合式RTOS的參考系統(tǒng)。

硬件部分的設(shè)計(jì)采用硬件描述語言Verilog HDL[2]來進(jìn)行編寫并綜合出硬件電路。選用的軟件為Quartus II9.1和NiosII-IDE，Quartus II9.1所帶的SOPC Builder(可編程片上系統(tǒng))可以很方便地根據(jù)自己的需要搭建出一個(gè)處理器，這個(gè)處理器的內(nèi)核就是Nios II處理器，而外圍可以根據(jù)自己的需要添加任何需要的外設(shè)，包括定時(shí)器、PIO口、ROM、FLASH等。同時(shí)，通過NiosII-IDE可以將μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植到以Nios II為內(nèi)核的處理器上，為測試提供了很大便利。而處理器和所設(shè)計(jì)的硬件電路可以通過已經(jīng)設(shè)計(jì)好的AVALON總線來進(jìn)行通信，而不用自己單獨(dú)去研究一套新的通信協(xié)議來進(jìn)行軟硬件之間的通信。測試采用的是Altera提供的DE2-70開發(fā)板。

1.2混合式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的整體架構(gòu)

通過對μC/OS-II系統(tǒng)進(jìn)行深入分析、分離可以用硬件實(shí)現(xiàn)的部分，設(shè)計(jì)出對應(yīng)的硬件電路，然后通過AVALON總線實(shí)現(xiàn)軟件內(nèi)核和硬件電路之間的通信，同時(shí)保證修改后的系統(tǒng)對用戶來說是透明的。具體框圖如圖1所示。

圖1　混合式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)整體框圖

圖1中的CPU是通過Quartus II軟件中的SOPC Builder根據(jù)需要搭建的處理器[3]，搭建好的處理器作為一個(gè)單獨(dú)的底層模塊，然后再將軟件操作系統(tǒng)中可以硬化的部分設(shè)計(jì)成硬件邏輯電路，作為另一個(gè)底層模塊，最后在頂層模塊中對搭建的處理器和硬件邏輯電路進(jìn)行例化，組成一個(gè)完整的模塊，下載到DE2-70開發(fā)板上進(jìn)行測試。

2信號量管理軟件部分

2.1信號量簡介

操作系統(tǒng)必須具有對任務(wù)運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)的能力，從而使任務(wù)之間可以無沖突、流暢地同步運(yùn)行，而不致產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是依靠任務(wù)之間的良好通信來保證任務(wù)與任務(wù)的同步的。在μC/OS-II中，使用信號量、消息郵箱、消息隊(duì)和信號量集來實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的通信，而信號量就是用于任務(wù)間通信的一類事件。通過使用信號量可以給共享資源設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，這個(gè)標(biāo)志可以控制共享資源的占用情況。

μC/OS-II的信號量由兩部分組成：①信號量的計(jì)數(shù)值，這個(gè)值是一個(gè)十六位的無符號整數(shù)；②任務(wù)等待表，該任務(wù)等待表是一個(gè)長度為64位的整型數(shù)組，每一位代表一個(gè)任務(wù)，若任務(wù)處于等待該信號量的狀態(tài)，那么對應(yīng)位為1，否則為0。

μC/OS-II中信號量的工作原理：每當(dāng)有任務(wù)申請信號量時(shí)，如果信號量計(jì)數(shù)器OSEventCnt的值大于0，則OSEventCnt減1并使任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行；如果OSEventCnt的值為0，則將任務(wù)列入任務(wù)等待表OSEventTbl[]，從而使任務(wù)處于等待狀態(tài)。如果有正在使用信號量的任務(wù)釋放了該信號量，則會在任務(wù)等待表中找出優(yōu)先級別最高的等待任務(wù)，使它就緒后調(diào)用調(diào)度器引發(fā)一次調(diào)度；如果任務(wù)等待表中已經(jīng)沒有等待任務(wù)，則信號量計(jì)數(shù)器加1。信號量工作原理圖如圖2和圖3所示。

圖2　任務(wù)請求信號量

圖3　任務(wù)發(fā)送信號量

2.2事件控制塊ECB

圖4　事件控制塊結(jié)構(gòu)圖

為了對任務(wù)之間用于通信的事件進(jìn)行統(tǒng)一管理，μC/OS-II定義了一個(gè)叫做事件控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(ECB)[4]，ECB可以用來描述信號量、消息郵箱、消息隊(duì)列等事件。ECB結(jié)構(gòu)如圖4所示。用戶應(yīng)用程序的任務(wù)通過指針pEvent來訪問事件控制塊。成員OSEventCnt為信號量的計(jì)數(shù)器；OSEventPtr主要用來存放消息郵箱或消息隊(duì)列的指針；OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE]是任務(wù)等待表；OSEventGrp表示任務(wù)等待表中的各任務(wù)組是否存在等待任務(wù)；OSEventType是事件的類型，它可以是信號量、消息郵箱或消息隊(duì)列。用戶要根據(jù)該域的具體值來調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)，以保證對其操作的正確性。

3混合式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)信號量管理的硬件設(shè)計(jì)

3.1軟件部分修改

通過分析，在保證對用戶透明的條件下，可以對事件控制塊中的任務(wù)等待表進(jìn)行硬件化設(shè)計(jì)[5]，那么成員OSEventGrp、OSEventTbl就可以去掉，因?yàn)槭褂密浖M(jìn)行查表和寫表操作是比較費(fèi)時(shí)的，尤其是進(jìn)行表的遍歷更加費(fèi)時(shí)。如果將表相關(guān)的操作轉(zhuǎn)移到硬件電路中，軟件只是負(fù)責(zé)發(fā)送指令或者讀取，不僅可以提高效率，還可以降低內(nèi)存占用、減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

在硬件設(shè)計(jì)中不能動態(tài)地添加或者刪除存儲表，如果用硬件來實(shí)現(xiàn)任務(wù)等待表，就必須在初始化的時(shí)候就建立與事件控制塊對應(yīng)數(shù)目的任務(wù)等待表。通過對μC/OS-II系統(tǒng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，事件控制塊的最大數(shù)目是確定的，這為實(shí)現(xiàn)任務(wù)等待表硬件化設(shè)計(jì)提供了前提。在硬件化設(shè)計(jì)時(shí)可以直接建立與事件控制塊數(shù)目相同的任務(wù)等待表——[63∶0]TaskWaitTbl[0DK]∶EVENT_COUNT_MAX]。同時(shí)，為了能夠?qū)④浖行薷暮蟮氖录刂茐K和硬件中的任務(wù)等待表之間建立一一對應(yīng)的關(guān)系，在事件控制塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中添加一個(gè)INT8U類型的變量OSEventCode來為任務(wù)控制塊進(jìn)行編號，這個(gè)編號將作為與硬件中的任務(wù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)的標(biāo)識碼。修改后的事件控制塊結(jié)構(gòu)如下所示：

typedef stmct{

INT8UOSEventType;

INT16UOSEventCnt;

void *OSEventPtr;

INT8UOSEventCode;

}OS_EVENT;

在μC/OS-II系統(tǒng)進(jìn)行初始化的時(shí)候會調(diào)用事件控制塊初始化函數(shù)，通過修改該函數(shù)來完成對事件控制塊的編號，然后對表的各種操作進(jìn)行編碼，當(dāng)軟件需要操作任務(wù)等待表的時(shí)候，向硬件發(fā)送編好號的命令碼，最后硬件部分完成對任務(wù)等待表的各種操作。信號量管理整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　信號量管理硬件化設(shè)計(jì)整體框圖

3.2硬件部分設(shè)計(jì)

硬件部分主要是根據(jù)軟件發(fā)送的命令碼對任務(wù)等待表進(jìn)行相應(yīng)的操作。命令碼編碼如下：

001為初始化對應(yīng)的任務(wù)控制塊；010為使對應(yīng)的任務(wù)等待表的相應(yīng)位置1；011為使對應(yīng)的任務(wù)等待表的相應(yīng)位置0；100為讀取相應(yīng)的任務(wù)等待表中最高優(yōu)先級等待任務(wù)的優(yōu)先級；101為讀取相應(yīng)的等待表中是否有等待任務(wù)；110為讀取相應(yīng)的任務(wù)等待表中指定位置數(shù)據(jù)。

硬件部分整體設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6　信號量管理硬件邏輯框圖

其中，OSEvent_ctrWord為命令字，由軟件寫入到硬件，經(jīng)過指令譯碼器譯碼后對任務(wù)等待表進(jìn)行相應(yīng)的操作；OSEvent_tabCode為事件控制塊的編號，此編號使得事件控制塊和相應(yīng)的任務(wù)等待表關(guān)聯(lián)起來；OSEvent_prio_in為任務(wù)的優(yōu)先級輸入，任務(wù)等待表的各個(gè)位對應(yīng)著任務(wù)的優(yōu)先級，從而可以根據(jù)優(yōu)先級來確定對任務(wù)等待表的哪一個(gè)位進(jìn)行操作；OSEvent_prio_out為優(yōu)先級的輸出，主要是輸出任務(wù)等待表中最高優(yōu)先級等待任務(wù)對應(yīng)的優(yōu)先級，軟件部分可以發(fā)送命令碼并讀取該值；OSEvent_isWait主要是輸出當(dāng)前任務(wù)等待表中是否有等待任務(wù)；OSEvent_Wait用于讀取任務(wù)等待表中對應(yīng)位的數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)測試與結(jié)果

測試平臺為Altera公司的DE2-70開發(fā)板，將硬件系統(tǒng)下載到開發(fā)板上，然后利用NiosII-IDE軟件寫出測試程序[6]，選擇μC/OS-II操作系統(tǒng)，完成對系統(tǒng)的測試。程序運(yùn)行結(jié)果如下所示：

Hello from prio:1

Hello from prio:3

task3 running count is 1

Hello from prio:3

task3 running count is 2

Hello from prio:1

Hello from prio:3

task3 running count is 3

Hello from prio:3

task3 running count is 4

Hello from prio:1

Hello from prio:3

task3 running count is 5

Hello from prio:1

fun is running!

Hello from prio:3

task3 running count is 6

Hello from prio:3

task3 running count is 7

Hello from prio:1

Hello from prio:3

task3 running count is 8

Hello from prio:3

task3 running count is 9

測試程序：首先創(chuàng)建任務(wù)1(task1，優(yōu)先級為1)，在任務(wù)1中創(chuàng)建任務(wù)2(task2，優(yōu)先級為2)和任務(wù)3(task3，優(yōu)先級為3)。task1創(chuàng)建task2和task3后是一個(gè)無限循環(huán)語句，循環(huán)體中主要輸出當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的優(yōu)先級，即表示task1是不是運(yùn)行成功；task2是一個(gè)無限循環(huán)體，每隔2 s請求一次信號量，如果請求成功就調(diào)用fun()函數(shù)，fun()函數(shù)輸出“fun is running!”，如果請求不成功則任務(wù)2添加到任務(wù)等待表中，直到信號量有效再運(yùn)行;task3每隔3 s 運(yùn)行一次，當(dāng)task3運(yùn)行5次的時(shí)候，發(fā)送信號量。從結(jié)果可以看出，當(dāng)task3運(yùn)行5次之后fun()函數(shù)調(diào)用成功，說明系統(tǒng)測試通過。

結(jié)語

參考文獻(xiàn)

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高承(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧脚c操作系統(tǒng)應(yīng)用。

(責(zé)任編輯：薛士然收修改稿日期：2015-11-25)

Hardware Circuit Design of Semaphore Management Based on FPGA

Gao Cheng,Wang Zhengyan

(Qingdao University,Qingdao 266071,China)

Abstract：Based on the communication research of the tasks in the embedded real-time operating system μC/OS-II,a scheme is proposed, that the semaphore management is completed using the hardware circuit based on FPGA.At the same time,the new hybrid real-time operating system is transparent to the users,which ensures the portability of the hybrid real-time operating system.The hybrid real-time operating system has been successfully transplanted to Altera DE2-70 development board,and the test of semaphore management is completed.This is an exploratory design,and it is an important part in overall design of the hybrid embedded real-time operating system.

Key words:RTOS;FPGA;Nios II;semaphore

中圖分類號:TP316.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A