當(dāng)新機(jī)型的剎車系統(tǒng)控制要求升級后，系統(tǒng)控制對象增多，控制算法復(fù)雜度增大，原有系統(tǒng)已完全不能勝任現(xiàn)在的要求。因此，需要尋求新解決方案來滿足新系統(tǒng)要求。
　　為了保證能夠向下兼容原系統(tǒng)，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上能夠最大限度升級改進(jìn)，仍選用51內(nèi)核的微控制器。經(jīng)過論證，決定選用FPGA構(gòu)造新系統(tǒng)，在FPGA系統(tǒng)中內(nèi)嵌8051 IP核。這是在Oregano Systems公司提供的免費(fèi)8051 IP核的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)的需要而定制的。僅保留51的內(nèi)核部分，并對內(nèi)核進(jìn)行一定的改造以適應(yīng)需要的操作系統(tǒng)的移植。通過Verilog語言編寫多個(gè)可編程外設(shè)數(shù)字模塊掛接在系統(tǒng)總線上，功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越一般的51方案。將各種數(shù)字器件通過編程和IP核的方式集成在FPGA中，這極大地提高了單芯片功能，減少了元器件數(shù)量，從而簡化了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)故障率，縮短了循環(huán)開發(fā)周期，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。
　　新系統(tǒng)中的軟件部分舍棄了前后臺系統(tǒng)，使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這樣，軟件系統(tǒng)可以很方便地分成多個(gè)在開發(fā)和運(yùn)行上獨(dú)立而又具有一定聯(lián)系的小任務(wù)，便于多人員參與開發(fā)。系統(tǒng)中的各種硬件被看成獨(dú)立的資源，由各任務(wù)來調(diào)用。設(shè)計(jì)者希望創(chuàng)新性地將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核部分的功能硬件化至FPGA中，從而進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的硬實(shí)時(shí)特性。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)載都將由硬件來承擔(dān)。而此時(shí)操作系統(tǒng)對于軟件編程員來說幾乎是透明的，如同使用一塊操作系統(tǒng)芯片，只要將編寫的任務(wù)編譯好直接載入Flash，系統(tǒng)啟動(dòng)后程序初始化操作系統(tǒng)的各控制寄存器填入各任務(wù)入口地址即可開始運(yùn)行。系統(tǒng)采用免費(fèi)公開源代碼的μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并在其基礎(chǔ)上根據(jù)新系統(tǒng)的硬件條件進(jìn)行修改，量身定做一個(gè)合適的硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
　　改進(jìn)后的新系統(tǒng)示意框圖如圖2所示。

2 改進(jìn)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制的設(shè)計(jì)
　　作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的組成部分——實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其主要功能有：事件管理、時(shí)間管理、中斷服務(wù)、實(shí)時(shí)調(diào)度等^[1]，如圖3所示?，F(xiàn)階段主要針對內(nèi)核的調(diào)度機(jī)和事件管理功能進(jìn)行硬件化改進(jìn)，并對51 IP內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

2.1 任務(wù)控制塊(TCB)的改進(jìn)
　　基于μC/OS-II的思想，每個(gè)任務(wù)在建立后都有一個(gè)TCB來管理該任務(wù)。TCB是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪時(shí)，μC/OS-II用它來保存該任務(wù)的狀態(tài)。新系統(tǒng)中，TCB修改后其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占用13 B，其中參數(shù)如下所示：

typedef struct os_tcb
{
?　 INT8U??OSTCBStkPtr；
　　OS_EVENT?*OSTCBEVENTPtr；
??? void???*OSTCBMsg；
　　void???*OSTCBTaskPtr；
　　INT8U??OSTCBId；
　　INT8U??OSTCBPrio；
　　INT8U??OSTCBCntInitVlu；
　　INT8U??OSTCBCnt
　　INT16U??OSTCBDly；
　　INT8U??OSTCBStat；
　　BOOLEAN?OSTCBDelReq；
}；
　　該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)刪減了原有TCB的部分參數(shù)，保留原有TCB部分參數(shù)意義不變，具體請見參考文獻(xiàn)[2]。被修改的TCB參數(shù)意義表述如下：
　　OSTCBStkPtr為任務(wù)堆棧指針，占1 B，其保存的是51堆棧指針SP的值；
??? *OSTCBTaskPtr為任務(wù)函數(shù)入口地址指針，其保存的是該任務(wù)的入口地址；
　　OSTCBId為任務(wù)ID號，參數(shù)取值為0～63，任意任務(wù)的ID值不允許相同，其為每個(gè)任務(wù)唯一識別碼；
　　OSTCBPrio為任務(wù)優(yōu)先級，參數(shù)取值為0～63，0為最高優(yōu)先級，63為最低優(yōu)先級，各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級允許相同；
　　OSTCBCntInitVlu為任務(wù)剩余時(shí)間片初始化值，取值從255～0；
　　OSTCBCnt為任務(wù)剩余時(shí)間片，取值從255~0；
　　OSTCBStat為任務(wù)當(dāng)前狀態(tài)及控制寄存器。讀寄存器，則會返回當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)，例如運(yùn)行或者就緒態(tài)；寫寄存器，則控制當(dāng)前任務(wù)自動(dòng)進(jìn)入某狀態(tài)，例如寫入掛起信號，則調(diào)度系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)自動(dòng)將當(dāng)前任務(wù)掛起。
　　這些參數(shù)中，最重要的改動(dòng)是OSTCBPrio和OSTCBCnt，由此系統(tǒng)改進(jìn)成支持時(shí)間片輪番調(diào)度的可剝奪型內(nèi)核。創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，任務(wù)的OSTCBId被賦唯一初值，OSTCBPrio被賦予合適的優(yōu)先級，其允許和其他任務(wù)同等優(yōu)先級，OSTCBCnt被賦予合適的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。任務(wù)執(zhí)行過程中，OSTCBId和OSTCBPrio不允許改變，而在一個(gè)系統(tǒng)節(jié)拍過后，當(dāng)前任務(wù)的OSTCBCnt將減1，在任務(wù)執(zhí)行過程中OSTCBCnt將隨系統(tǒng)節(jié)拍不斷減小，直至為0。當(dāng)就緒態(tài)中同種優(yōu)先級的所有任務(wù)的OSTCBCnt全部減為0時(shí)，重新將各個(gè)任務(wù)的OSTCBCntInitVlu的值載入至OSTCBCnt。
　　任務(wù)的調(diào)度規(guī)則是：
　　(1)OSTCBPrio越小，則越優(yōu)先執(zhí)行；
　　(2)OSTCBPrio相等，則OSTCBCnt越大的越優(yōu)先執(zhí)行；
　　(3)OSTCBPrio和OSTCBCnt都相等，則OSTCBId越小越優(yōu)先執(zhí)行。
　　任務(wù)調(diào)度執(zhí)行示意圖如圖4所示。

　　在原μC/OS-II系統(tǒng)中，內(nèi)核通過一個(gè)“就緒表”完成對系統(tǒng)的就緒態(tài)最高優(yōu)先級任務(wù)的調(diào)度。系統(tǒng)內(nèi)核基本工作是任務(wù)調(diào)度，系統(tǒng)運(yùn)行中，將會有一定的資源消耗在調(diào)度上，大約占用CPU資源的2%～5%。這對于51內(nèi)核來說，可能占用的CPU資源更多。
　　本系統(tǒng)改進(jìn)的目的，是要盡量用硬件完成系統(tǒng)的調(diào)度，釋放調(diào)度占用的CPU資源。因此改進(jìn)后的系統(tǒng)去掉了“就緒表”，而使用一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)完成對系統(tǒng)的調(diào)度。
　　在一個(gè)系統(tǒng)節(jié)拍中，狀態(tài)機(jī)將遍歷所有任務(wù)的OSTCBId、OSTCBPrio、OSTCBCnt和OSTCBStat參數(shù)，找到STCBStat處于就緒態(tài)的任務(wù)，且按照上文中所述的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行搜尋。找到最合適規(guī)則的任務(wù)ID號即OSTCBId值，首先將其寫到任務(wù)調(diào)度緩沖區(qū)TaskIdBuf，之后等待，準(zhǔn)備在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)寫入調(diào)度寄存器TaskId，進(jìn)行任務(wù)切換。
2.2 任務(wù)堆棧區(qū)(STK)的改進(jìn)
　　51系列單片機(jī)的內(nèi)部直接尋址范圍00H～7FH，CPU復(fù)位后，堆棧指針SP復(fù)位為07H，堆棧向上增長，顯然堆棧最大深度為120 B，而且00H～1FH段為4組通用寄存器區(qū)，20H～2FH為位尋址區(qū)，如果需要使用這些區(qū)域，堆棧的深度則縮減為80 B，這對于多任務(wù)處理顯然是極其有限的。
　　μC/OS-II移植最關(guān)鍵的是堆棧設(shè)計(jì)，這里有兩個(gè)最重要的問題：模擬多任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)和51系列單片機(jī)堆棧較小缺陷的解決。
　　解決問題的方法是修改8051的IP核源代碼，將51核內(nèi)部直接尋址區(qū)修改成如圖5所示的尋址區(qū)。

　　通過內(nèi)部地址映射管理器的映射，將FPGA的RAM中的80 B映射到直接尋址區(qū)的30H~7FH的任務(wù)堆棧區(qū)中，這80 B的數(shù)據(jù)都作為同一個(gè)任務(wù)的堆棧，這對于一般能在51系統(tǒng)上運(yùn)行的任務(wù)已足夠，能夠解決堆棧空間較小的問題。本系統(tǒng)最多支持64個(gè)任務(wù)，因此，在RAM中有連續(xù)64個(gè)80 B的STK區(qū)塊可以映射到直接尋址區(qū)的STK區(qū)塊上，同時(shí)，映射管理器將RAM中連續(xù)的64個(gè)13 B的TCB區(qū)塊映射到FPGA控制寄存器區(qū)的TCB寄存器區(qū)塊上。如此，當(dāng)任務(wù)調(diào)度寄存器TaskId中填入的任務(wù)ID號改變時(shí)，直接尋址區(qū)的STK的數(shù)據(jù)和FPGA控制寄存器區(qū)TCB的數(shù)據(jù)將隨之而改變，映射所指向的區(qū)塊由調(diào)度寄存器TaskId來決定。當(dāng)調(diào)度系統(tǒng)決定要開始一次新的任務(wù)調(diào)度時(shí)，由如下步驟來完成：
　　(1)給51內(nèi)核1個(gè)INT0外部0號中斷信號，通知需要進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)度狀態(tài)；
　　(2)中斷服務(wù)程序?qū)?dāng)前任務(wù)使用寄存器入棧；
　　(3)中斷服務(wù)程序?qū)?dāng)前任務(wù)SP的內(nèi)容保存到當(dāng)前任務(wù)TCB的OSTCBStkPtr；
　　(4)中斷服務(wù)程序發(fā)信號至FPGA的調(diào)度系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)自動(dòng)將任務(wù)調(diào)度緩沖區(qū)TaskIdBuf的數(shù)據(jù)寫入調(diào)度寄存器TaskId，切換STK和TCB；
　　(5)中斷服務(wù)程序?qū)⑶袚Q后的任務(wù)TCB的OSTCBStkPtr寫入51內(nèi)核的SP；
　　(6)中斷服務(wù)程序?qū)⑶袚Q后的任務(wù)使用寄存器出棧；
　　(7)退出中斷，切換后的任務(wù)開始繼續(xù)運(yùn)行。
　　如此修改后，任務(wù)切換中軟件需要完成的工作就極其簡單了，這極大降低了軟件系統(tǒng)對任務(wù)切換進(jìn)行控制所消耗的成本，這些工作由硬件系統(tǒng)在任務(wù)運(yùn)行的同時(shí)并行完成。這樣，即使將系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍頻率設(shè)定得比較高，系統(tǒng)的額外負(fù)載也不會過重。系統(tǒng)硬件對STK和TCB的物理映射，也同時(shí)保證了一個(gè)任務(wù)對其他任務(wù)的STK和TCB的不可見性，保護(hù)了其他任務(wù)的STK和TCB數(shù)據(jù)不受該任務(wù)的影響，從而一定程度上保證了任務(wù)運(yùn)行的安全。
　　本文提出一個(gè)新的思想和嘗試方法進(jìn)行操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
　　(1)將操作系統(tǒng)硬件化。以往的操作系統(tǒng)屬于在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件的一部分，需要占用應(yīng)用系統(tǒng)中CPU的部分資源。而操作系統(tǒng)硬件化后，在任務(wù)運(yùn)行的同時(shí)，硬件操作系統(tǒng)并行地完成了任務(wù)調(diào)度的準(zhǔn)備工作，只需要運(yùn)行中的任務(wù)完成保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)至堆棧的工作，操作系統(tǒng)將立即切換任務(wù)。任務(wù)切換所需要的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)。
　　(2)各任務(wù)在RAM區(qū)的STK映射到51內(nèi)核的直接尋址區(qū)的STK中，解決了51系列微控制器堆棧區(qū)過小的問題，并使得各個(gè)任務(wù)的堆棧區(qū)都是獨(dú)立的。而編寫任務(wù)程序時(shí)，則是相對于同一個(gè)空間地址進(jìn)行操作，且任務(wù)堆棧切換無需軟件控制，避免了程序上出錯(cuò)造成的影響。同樣使用映射技術(shù)的還有TCB區(qū)和ECB區(qū)，此處不再贅述。
　　該改進(jìn)方案已基本在FPGA系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，目前仍處于性能測試階段，不足之處有待改進(jìn)。

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