实时操作系统任务调度算法的硬件实现

论文摘要

实时操作系统在整个嵌入式系统中扮演着重要的角色,控制着整个系统的工作与运转,实时操作系统一个性能的优劣将对整个系统的所有性能产生直接的影响。已有的实时操作系统内核是加在应用程序中的软件,它不仅增加了存储空间的用量,而且增加了应用程序的额外负荷。尤其在实时性较强的场合,在限定时间内响应处理任务已经成为了对实时操作系统的一个基本要求。针对实时操作系统的开销导致应用程序可执行性降低的问题,单纯依靠改进调度算法已不能使其实时性有显著的提高,所以提出将实时操作系统内核硬化到FPGA平台上的设计方案,作为独立的硬件模块与处理器并行执行。建立由中断控制器、输入/输出寄存器和实时任务管理模块组成的硬件实时操作系统总体结构。其主要工作过程:通过数据总线把相应的命令和参数发送到指定硬件逻辑单元的输入寄存器中,硬件逻辑单元作出相应的处理,并将处理结果送到相应的输出寄存器中,以供CPU进行读取。本文以嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ为研究对象,修改μC/OS-Ⅱ中由软件实现的数据结构,根据硬件逻辑电路的并行性特点,搭建各个功能模块的硬件逻辑结构,整个设计采用VHDL硬件描述语言描述各个功能模块,利用Xilinx公司的ISE 8.2软件环境进行系统调试分析,完成功能仿真验证。本文主要设计并实现了任务管理模块和信号量管理模块的硬件逻辑电路。任务管理模块中对μC/OS-Ⅱ的任务调度算法进行改进和硬化,在uC/OS-Ⅱ内核原有的基于优先级抢占式调度算法的基础上,扩展相同优先级任务的调度算法,去除了原系统对每个任务必须有不同优先级的要求,采用硬件逻辑实现实时操作系统中的任务管理模块,使其实时性和确定性显著提高,充分发挥了多任务潜在的并行性;分析并改进μC/OS-Ⅱ中对信号量的管理和应用,设计并实现信号量管理模块的硬件逻辑电路,降低了频繁查表和访问内存带来的系统开销。将实时操作系统的调度功能由原来的纯软件实现转变为硬件实现,将极大的提高实时操作系统的实时性以及处理能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 实时操作系统任务调度研究现状及分析
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 课题主要研究内容
• 1.5 课题主要工作
• 第2章 操作系统的实时性
• 2.1 引言
• 2.2 提高嵌入式系统实时性的途径
• 2.2.1 软件级并行
• 2.2.2 处理器级并行
• 2.2.3 线程级并行
• 2.2.4 指令级并行
• 2.3 基于RTOS 的实时任务管理
• 2.3.1 任务管理
• 2.3.2 任务调度
• 2.3.3 任务切换
• 2.4 本章小结
• 第3章 任务管理的硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 μC/OS-Ⅱ 的任务管理和调度
• 3.2.1 μC/OS-Ⅱ 的任务及其控制结构
• 3.2.2 μC/OS-Ⅱ 的任务管理
• 3.2.3 μC/OS-Ⅱ 的任务调度
• 3.3 硬件实时操作系统的结构和运行原理
• 3.3.1 硬件实时操作系统的提出
• 3.3.2 硬实时任务管理器的架构
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于硬件实时任务管理器的实现
• 4.1 引言
• 4.2 任务管理的硬件设计
• 4.2.1 任务管理模块的硬件框架设计
• 4.2.2 任务管理系统调用函数的硬件设计
• 4.2.3 任务调度器的硬件设计
• 4.3 调度器核心数据结构
• 4.3.1 任务控制块和任务控制块列表
• 4.3.2 任务调度算法及实现
• 4.4 信号量管理的硬件设计
• 4.4.1 信号量管理的硬件总体设计
• 4.4.2 信号量管理系统调用的硬件设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 仿真及实验结果分析
• 5.1 XUP Viterx-Ⅱ PRO 硬件开发平台
• 5.2 Xilinx 嵌入式开发工具集
• 5.2.1 集成软件环境ISE
• 5.2.2 嵌入式开发套件EDK
• 5.3 时序仿真及实验结果分析
• 5.3.1 任务管理模块仿真结果及分析
• 5.3.2 信号量管理模块仿真结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢