基于SOC的實時操作系統分析

　　摘 要：隨著芯片集成技術的不斷發展，目前，在集成電路設計方面已經進入了一個新的時代，在設計時通常采用軟件硬件協同的方法。實時操作系統能夠顯著優化芯片的性能特征，同時還能優化設計的總體效益，降低其上市的時間，提高其可用性能。因此，本文對基于SOC的實時操作系統進行了分析。
　　關鍵詞：SOC 實時操作系統 分析
　　中圖分類號：TP316.2文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0013-01
　　實時操作系統（RTOS）是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺。RTOS根據各個任務的性質和要求，進行資源（包括存儲器、外設等）管理、任務的通信和同步管理、任務調度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統中，通常每個任務都有優先級RTOS根據各個任務的優先級來動態的切換任務，保證其對實時性的要求。這種體系結構簡化了編程結構，比過去的循環控制的體系結構有了很大的改進。與通常的嵌入式實時操作系統相比，基于SOC的RTOS既有共性，也有其特殊性。其共性表現在強調任務的實時性，采用實時調度算法以保證系統的多個任務能滿足實時性的要求；其特殊性源于SOC給RTOS的設計帶來新的課題。
　　1 基于SOC的實時操作系統設計的原理
　　普通的計算機系統當中，一般是通過軟件來實現操作系統的設計的，對實時性也沒有較高的要求，沒有嚴格限制其所占用的內存。但是基于SOC的實時操作系統在設計時對實時性有很嚴格的要求。同時也苛刻限制了代碼的長度。但是與此同時，進行這種實時系統的設計時，也有很強的靈活性，它主要體現在：為了保障系統功能的實現，能夠在芯片上設計額外的硬件，將實時操作系統的尺寸縮小，使其運行時間變快。通常是利用新的算法和數據結構來不斷提高操作系統的實時性能，而在基于SOC的操作系統當中，進行軟硬件的協同設計，提供了一種創新的機制。在基于集成芯片RTOS設計當中，本文主要是通過采用I/O管理來實現軟硬件的有效劃分。縱線調度對于HDTV解碼芯片設計具有重要作用，它具有較強的非隨機性，在選擇算法時可以選用時間片這種調度方法。為了將整個操作系統在調度上的總開銷控制在一定范圍內，并提高操作系統中芯片吞吐的總量，采用硬件來實現對所有總線的管理。
　　2 基于SOC的實時操作系統的任務管理
　　第一，任務的調度。在實施操作系統當中，對內核進行調度時需要確立基本調度單位，任務作為基本單位，其驅動通常都是事件或者消息的基礎上形成的，也就是說，在設計任務時，需要根據對接收到的各項事件以及信息的處理來進行的，它具有循環性。任務的狀態在實時操作系統中表現出很多不同種類，任務的運行，任務的就緒以及掛起等等，但是一般來說，系統中在同一時間內只可供一種任務狀態存在，不同的任務按照其級別的差異來通過各自的時間片，然后獲得訪問CPU的權利。對多重任務進行管理和調度是實時操作系統的重要功能之一。任務是整個操作系統中不可或缺的基本操作對象，包括激活以及休眠任務。任務調度分為三種，一種是時間輪詢；另一種是時間分片還有一種是優先搶占，在這三種形式中，對于實時性能的支撐性最強的是最后一種，即優先搶占式。
　　第二，任務的切換。實時操作系統中，任務的切換主要是由以下原因引起的：第一種情況是上一個任務在正常完成之后，就將自身對CPU的控制權利轉給實時操作系統，操作系統對列表中全部任務進行判斷和檢查，確定優先級別最高的任務，使其優先運行。第二種情況是當其中一個任務正在運行的過程中，優先級別更高的另一個任務出現了中斷現象，系統根據目前任務狀況，保存其上下文，并對任務進行切換，使其處于中斷任務的狀態。系統通過對任務列表的整理和檢查，將一些運行完畢的任務刪除，然后不斷增加一些新的任務，并根據其優先級別的高低，來對其進行排序。以促進任務間系統資源的合理分配。
　　第三，任務同步和通信。實時操作系統當中對任務通信、同步的實現一般是通過對消息、郵箱、信號燈等服務原語的定義來進行其中消息的確立是通過系統當中一些公共的數據交換區域來將任務在通信過程中需要的各種信息進行交互。
　　3 基于SOC的實時操作系統的存儲管理
　　第一，對存儲區進行合理分配。實時操作系統當中，需要對存儲的區域進行合理科學的分配，一般采用靜態或者動態的分配方式，同時，在分配時還可以根據硬件中分布的儲存管理單元自身擁有的特點來優化存儲管理模塊的設計。
　　第二，應該實現對堆的管理。對于任務來說，如果需要一定的存儲區域，則需要通過動態申請才能實現，實時操作系統能夠通過對存儲空間中的堆來為任務在動態申請以及存儲塊的釋放過程中提供一個調用的接口，在進行動態分配的時候，應該注意避免出現存儲區零碎化的現象。
　　4 I/O以及系統的中斷管理
　　實時操作系統為中斷管理提供了一種具有較高通用性能的設計模式，這種模式可以將中斷的時間控制在最短范圍內，并能最大化提高中斷的響應程度。同時，系統內核中的各種資源對象可以對實體或者虛擬的資源進行獨占式的訪問，資源在同時間內只能被一個任務訪問，這樣有利于防止出現資源沖突的現象。在設計1/O系統時，應確保其具有以下特性：能在多個用戶程序之間共享；借助中斷管理來實現和CPU的通信以及同步；實現對I/0設備的良好控制。
　　5 基于SOC的實時操作系統軟硬件協同設計的方法
　　軟硬件協同設計時，首先需要依據操作系統的實際需求以及說明，來劃分軟硬件，將系統的功能具體要由哪些軟件或者硬件來實現進行確定，Gupta等在很早之前就提出了一種算法，這種算法能夠實現功能在硬件軟件之間的遷移，而也有人提出了另一種較為先進的算法，這種算法可以通過將關鍵功能在指令流中確定下來，并把它們映射成相應的硬件。其次，需要對功能進行定位。因為軟件當中所承載的功能有時候會因為時間或性能因素，而被硬件取代，基于這種可能，可以通過對開發時間的考慮以及性能等方面的適應性，來將原本在硬件中執行的各種功能，轉移到軟件上來，由軟件中的處理器來執行。再者，應該進行良好調度。實時操作系統在任務中進行調度，主要依據是任務的不同，對實時響應的具體要求也不同。在硬件上，應該根據資源的總量和數據總線來對任務中的時間片進行合理分配。最后，還應該完成映射。在硬件中利用固核來生成硬核，并把軟件編譯成一串串可以正常運行的代碼。
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