引言

實時操作系統(RTOS)，在整個嵌入式系統中扮演著十分重要的角色，它就像人的大腦支配人的行為一樣，控制著整個系統的工作與運轉，一個RTOS性能的優劣將對整個系統的性能產生直接的影響。衡量一個RTOS的好壞有多種標準，實時性則為一個關鍵指標，并且隨著實時操作系統實際運用的加深及拓廣，對RTOS提出了更加嚴格的要求。在系統限定時間內響應處理外部事件已經成為了對RTOS的一個基本要求。

任務調度，是RTOS的核心所在，任務間的通信、外部事件的處理以及中斷處理等都離不開任務調度的參與。而且隨著系統功能的完善與增強，任務間的關系變得更加復雜，需要與更多的外圍設備打交道，這就需要任務調度不斷地參與其中，從而導致系統性能的急劇下降、對事件實時響應能力的降低。任務調度則成為了RTOS性能的瓶頸，提高RTOS的整體性能則首先應當從提高任務調度的性能著手。將任務調度硬件化，無疑可以提升任務調度的性能，從而提高整個RTOS的性能。本文討論了三種任務調度的實現方法，分別為：軟件調度器模型、協處理器調度模型、硬件調度器模型，并在文章最后對其性能進行了測試。測試結果表明，硬件調度器模型具有良好的性能，相對協處理器方式需要更少的硬件實現邏輯單元。

系統功能的增強，使得任務間的調度以及任務之間的通信變得更加復雜，必將導致系統性能急劇降低。而且，隨著系統不斷完善，在實時嵌入式系統中，計算結果的正確性已經不再是整個系統追求的目標，而實時性則成為整個系統面對的首要難題。如果將RTOS的調度功能由原來的純軟件實現轉變為硬件實現，將極大的提高實時系統的實時性以及處理能力。

設計與實現

邏輯時序關系

圖1是操作系統以及應用程序都由單CPU運行的邏輯時序圖。由時序圖可以看出，在單CPU運行RTOS以及應用程序條件下，CPU不斷地在RTOS內核以及應用程序之間切換。即使在沒有外部中斷的情況下，CPU的運行都將在確定的時刻執行任務調度程序(由系統時鐘觸發)，例如t2、t4、t6等時刻。每次的任務調度都至少執行以下四步操作：（1） 當前任務上下文內容的保存；（2） 操作系統內核態的恢復；（3） 操作系統內核態信息保存；（4） 新任務上下文內容恢復。即便調度前后，例如t1與t3時刻，CPU執行相同的任務，也同樣要執行上述的四步操作。很明顯，這樣的操作浪費了大量的CPU處理時間，執行了大量的無謂的內容保存工作。

Ti為第i個任務運行時間； CS+OS為任務上下文轉換時間以及RTOS所占用時間；INT中斷服務程序時間；C ST 為當前任務上下文內容保存時間； CR RTOS 為操作系統上下文恢復時間；RTOS為操作系統運行內核程序以及調度時間； CS RTOS 操作系統上下文保存時間； CR T 調度后新任務上下文恢復時間。

圖2為協處理器運行調度程序，而應用程序由主CPU運行，這樣調度程序和應用程序在時間上為并行執行。當主CPU需要進行任務調度時，將會引發中斷，通知協處理器。在完成中斷處理以及任務上下文保存與恢復之后，主CPU 繼續執行新的任務，這樣去除了RTOS進出內核態的上下文保存時間，無疑可以提升RTOS的整體性能。

設計實現

在上文中，已經提到，將RTOS的調度以三種方式進行實現，分別為純軟件實現、協處理器實現以及純硬件實現。

為了實現這三種調度方法，采用了Xilinx公司的Virtex-II Pro系列的 XC2VP30 芯片，軟件平臺為EDK（embeded development kit）功能以及時序仿真采用Modelsim軟件。CPU采用EDK提供的MicroBlaze處理器模型，并集成64K的SRAM以及1M的FLASH建立一個最小的核心系統，作為該調度算法的核心硬件平臺。MicroBlaze為32位的哈佛結構的處理器，采用RISC指令集，為便于計算，設置其工作頻率為50MHz。

1.軟件調度模型實現

軟件調度模型系統由以下幾部分組成：1）MicroBlaze處理器；2）RAM存儲區；3）片上總線；4）中斷以及時間控制模塊；5）監控模塊；6）UART接口。MicroBlaze處理器用于運行RTOS以及應用程序。應用程序的執行具有周期性的特點，而外部的中斷則將打斷這種周期性具有突發性的特點。MicroBlaze需實時處理兩種不同類型的事件，這與實際應用情況相符合。監控模塊是在EDK中一個特定模型的實現，用于監控外部單元與主CPU的通信過程（以中斷方式或者輪詢方式）。監控模塊具有兩個特定功能，獲取當前系統時間以及向CPU發送中斷信號。最后，將實測的調度時間數據通過UART接口發送至上位機，進行分析處理，以驗證模型的性能。

2.協處理器調度模型實現

協處理器調度模型在軟件調度模型基礎上增加協處理器模塊。該模型中，將RTOS的任務調度模塊從主CPU中分離出來，并將該部分代碼完全運行于協處理器中。協處理器需要完成任務狀態以及任務堆棧管理，并通過DMA方式與主內存之間通信，實現同主CPU中任務各種狀態以及信息的同步。

在協處理器調度模式下，當系統時鐘產生中斷時，不需要進行任務調度的工作，只有當主CPU需要進行任務調度時，通知協處理器等待掛起的任務號以及其上下文內容，協處理器將該任務完整保存之后，將處于最高優先級的就緒態任務及其上下文內容送入主CPU，完成任務調度。

由協處理器模式下調度的整個流程可以看出，任務的調度完全由主CPU發起，任務的調度只是發生在需要調度的時刻，同時由于協處理器參與了調度的工作，主CPU不需要進入內核態來實現任務調度，這極大的提高了主CPU的有效工作效率。

3.硬件調度器模型實現

硬件調度器模型將調度的功能完全用專用的硬件IP核實現。見圖3，整個系統包含圖3中去除協處理器的所有部分。調度模塊具有與協處理器相同的功能，但是調度模塊完全由時序以及邏輯模塊組成，不具有協處理器智能化的特性，其開發難度也相對較大。但是正是由于調度模塊采用的時序以及邏輯模塊組合的結構，其實現無需程序控制，故調度速度要高于協處理器調度模式。

整個調度模塊由三部分組成，見圖4：調度核、任務管理、通信接口。通信接口將CPU傳送過來以及調度核的指令進行翻譯轉換，實現CPU與調度核之間的通信。調度核控制任務管理，將等待掛起的任務以及最高就緒態的任務號發送給任務管理器，同時與CPU交互信息，從CPU獲取系統時間等各種有用信息。任務管理則負責各種任務狀態的切換，將調度核發送過來的等待掛起的任務置入等待隊列，而將最高優先級的任務標志為運行態，交由調度核并發送給CPU。

性能測試及結論

為了驗證三種調度模型的性能，采用了如下的測試方法。應用程序由10個相同功能的任務組成，任務的序號分別為1到10，每個任務運行確定時間之后，掛起自身而運行任務號加1的任務。異步中斷通過外部按鍵人為觸發，一個始終處于掛起態的任務用于接收按鍵消息，并處理。按鍵消息處理之后，任務將自身掛起。圖5為主機通過串口獲取的任務切換信息，并通過matlab繪制的圖形。從圖可以看出，三種調度器性能由低到高分別為軟件調度模型、協處理器調度模型、硬件調度模型。

結語

本文介紹了三種RTOS的調度器實現模型，軟件調度模型為當前最常用的也最穩定的調度模型，其實現簡單，且硬件成本低；協處理器調度模型具有較高的性能，但是由于采用協處理器的支持，無疑增加了硬件成本，RTOS的調度由協處理器完成，減輕了主CPU的負擔，但是協處理器的調度過程實際上也由軟件實現，其整體的調度速度不是很高，其性能提升 只是在減小主CPU的調度次數以及避免進入內核態上；硬件調度模型具有最高的效率，雖然模塊開發調試復 雜繁瑣，但是與協處理器調度模式相比，占用更少的硬件資源，而且效率高于協處理器方式，必將極大地提高系統性能。綜上所述，三種RTOS各具有自身特點，在具體的實現過程中，需要考慮系統的特性折中選擇實現方式。與當前流行的調度模式相比，硬件調度模型具有更高的性能，必將成為今后RTOS發展的一個方向。