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详解实时操作系统软件调度器/硬件调度器设计

2013-12-23 10:41
Minor昔年
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  引言

  实时操作系统(RTOS),在整个嵌入式系统中扮演着十分重要的角色,它就像人的大脑支配人的行为一样,控制着整个系统的工作与运转,一个RTOS性能的优劣将对整个系统的性能产生直接的影响。衡量一个RTOS的好坏有多种标准,实时性则为一个关键指标,并且随着实时操作系统实际运用的加深及拓广,对RTOS提出了更加严格的要求。在系统限定时间内响应处理外部事件已经成为了对RTOS的一个基本要求。

  任务调度,是RTOS的核心所在,任务间的通信、外部事件的处理以及中断处理等都离不开任务调度的参与。而且随着系统功能的完善与增强,任务间的关系变得更加复杂,需要与更多的外围设备打交道,这就需要任务调度不断地参与其中,从而导致系统性能的急剧下降、对事件实时响应能力的降低。任务调度则成为了RTOS性能的瓶颈,提高RTOS的整体性能则首先应当从提高任务调度的性能着手。将任务调度硬件化,无疑可以提升任务调度的性能,从而提高整个RTOS的性能。本文讨论了三种任务调度的实现方法,分别为:软件调度器模型、协处理器调度模型、硬件调度器模型,并在文章最后对其性能进行了测试。测试结果表明,硬件调度器模型具有良好的性能,相对协处理器方式需要更少的硬件实现逻辑单元。

  系统功能的增强,使得任务间的调度以及任务之间的通信变得更加复杂,必将导致系统性能急剧降低。而且,随着系统不断完善,在实时嵌入式系统中,计算结果的正确性已经不再是整个系统追求的目标,而实时性则成为整个系统面对的首要难题。如果将RTOS的调度功能由原来的纯软件实现转变为硬件实现,将极大的提高实时系统的实时性以及处理能力。

  设计与实现

  逻辑时序关系

  图1是操作系统以及应用程序都由单CPU运行的逻辑时序图。由时序图可以看出,在单CPU运行RTOS以及应用程序条件下,CPU不断地在RTOS内核以及应用程序之间切换。即使在没有外部中断的情况下,CPU的运行都将在确定的时刻执行任务调度程序(由系统时钟触发),例如t2、t4、t6等时刻。每次的任务调度都至少执行以下四步操作:(1)当前任务上下文内容的保存;(2) 操作系统内核态的恢复;(3) 操作系统内核态信息保存;(4)新任务上下文内容恢复。即便调度前后,例如t1与t3时刻,CPU执行相同的任务,也同样要执行上述的四步操作。很明显,这样的操作浪费了大量的CPU处理时间,执行了大量的无谓的内容保存工作。

详解实时操作系统软件调度器/硬件调度器设计

  Ti为第i个任务运行时间; CS+OS为任务上下文转换时间以及RTOS所占用时间;INT中断服务程序时间;C ST 为当前任务上下文内容保存时间; CR RTOS 为操作系统上下文恢复时间;RTOS为操作系统运行内核程序以及调度时间; CS RTOS 操作系统上下文保存时间; CR T 调度后新任务上下文恢复时间。

  图2为协处理器运行调度程序,而应用程序由主CPU运行,这样调度程序和应用程序在时间上为并行执行。当主CPU需要进行任务调度时,将会引发中断,通知协处理器。在完成中断处理以及任务上下文保存与恢复之后,主CPU 继续执行新的任务,这样去除了RTOS进出内核态的上下文保存时间,无疑可以提升RTOS的整体性能。

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