嵌入式技術(shù)執(zhí)行專用功能并被內(nèi)部計算機控制的設(shè)備或者系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)不能使用通用型計算機，而且運行的是固化的軟件，用術(shù)語表示就是固件（firmware），終端用戶很難或者不可能改變固件。盡管絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)是用戶針對特定任務(wù)而定制的，但它們一般都是由下面幾個模塊組成的： 一臺計算機或者微控制器，字長可能是可憐的4位或者8位、16位、32位甚至是64位。 用以保存固件的ROM（非揮發(fā)性只讀存儲器）。 用以存程序數(shù)據(jù)的RAM（揮發(fā)性的隨機訪問存儲器）。 連接微控制器和開關(guān)、按鈕、傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、控制器、LED（發(fā)光二極管）和顯示器的I/O端口。 一個輕量級的嵌入式操作系統(tǒng)，一般是自行編寫的。 專門的單片微控制器是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的核心。通過把若干個關(guān)鍵的系統(tǒng)組成部分集成到單個芯片上，系統(tǒng)設(shè)計者就可以得到小而便宜、可以操作較少外圍電子設(shè)備的計算機。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，實時操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operating System）被越來越多地應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，RTOS，即：實時系統(tǒng)（Real-time operating system），實時系統(tǒng)能夠在指定或者確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和外部或內(nèi)部、同步或異步時間做出響應(yīng)的系統(tǒng)。它的正確性不僅依賴系統(tǒng)計算的邏輯結(jié)果，還依賴于產(chǎn)生這個結(jié)果的時間。因此實時系統(tǒng)應(yīng)該在事先先定義的時間范圍內(nèi)識別和處理離散事件的能力；系統(tǒng)能夠處理和儲存控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。 為了便于理解，機場的售票系統(tǒng)就是一個典型的實時系統(tǒng)。目前，軟件硬化常用的有兩種方法：（1）微程序方式，特點是成本較低，方便靈活；（2）組合邏輯方式，特點是速度快、可靠性高，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，這種方式逐漸顯示出優(yōu)越性。信號量管理是RTOS中頻繁運行的程序段之一，如果將這一部分用硬件實現(xiàn)，對提高機器的速度將有很明顯的效果。

1 信號量管理的工作原理

μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構(gòu)上的微處理器上運行。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，包括很多領(lǐng)域， 如手機、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設(shè)備及工業(yè)控制上。實際上，μC/OS-II已經(jīng)通過了非常嚴格的測試，并且得到了美國航空管 理局（Federal Aviation Administration）的認證，可以用在飛行器上。這說明μC/OS-II是穩(wěn)定可靠的，可用于與人性命攸關(guān)的安全緊要（safety critical）系統(tǒng)。除此以外，μC/OS-II 的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。

μC/OS-II中信號量主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由兩部分組成：（1）信號量的計數(shù)值Cnt。當數(shù)值為正時用于記錄可使用的資源數(shù)，當數(shù)值為負，其絕對值表示等待當前信號量的任務(wù)個數(shù)；（2）等待該信號量的任務(wù)列表。信號量的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要申請一個ECB來存儲。一個任務(wù)或ISR可以通過ECB向另外的任務(wù)發(fā)信號，一個任務(wù)可以等待另一個任務(wù)或中斷服務(wù)子程序給它發(fā)送信號，多個任務(wù)可同時等待同一個事件的發(fā)生。

信號量管理的工作原理框圖如圖1所示。信號量管理模塊以及事件控制塊管理都是獨立于CPU的邏輯結(jié)構(gòu)，都可以直接從數(shù)據(jù)總線上獲得數(shù)據(jù)信息進行處理，在信號量管理模塊與ECB的存儲模塊間建立一條數(shù)據(jù)通路，在不增加總線負擔(dān)的情況下加快二者間的通信。

2 信號量管理的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 ECB的設(shè)計與實現(xiàn)

ECB是實現(xiàn)信號量管理的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計實現(xiàn)信號量管理之前，要先完成ECB管理的設(shè)計與實現(xiàn)。本系統(tǒng)中ECB的結(jié)構(gòu)參照μC/OS-II中ECB的結(jié)構(gòu)設(shè)計。每個ECB存儲單元包含一個EventType（事件類型），用于標記當前ECB被分配給信號量、互斥型信號量、郵箱還是消息隊列；當一個ECB被分配給信號量時，Cnt做為信號量的計數(shù)器；ECB中的等待表lut用于存儲等待當前信號量任務(wù)的優(yōu)先級。

ECB中等待表硬件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。等待表的結(jié)構(gòu)類似一個8行8列的矩陣，存儲單元編號從00~77。當一個任務(wù)在申請當前信號量而沒有獲得時，應(yīng)將當前任務(wù)設(shè)置為等待狀態(tài)，令Wr有效，以申請該信號量任務(wù)的優(yōu)先級為地址，進行譯碼，選通相應(yīng)單元后再進行寫1操作。例如，申請該信號量的任務(wù)優(yōu)先級Sid為111111時，對其進行譯碼，高三位行地址譯碼為10000000，低三位列地址譯碼為10000000，選中77單元向其寫入1，則優(yōu)先級為111111的任務(wù)進入等待狀態(tài)。若要將一個處于等待表中的任務(wù)刪除，令De有效，同樣，根據(jù)地址線選通某一存儲單元，向單元內(nèi)寫0，從而刪除某一處于等待狀態(tài)的任務(wù)。在控制電路中設(shè)置EventGrp 8位寄存器，用于記錄當前各行中是否有等待任務(wù)；如圖2所示，第i行中某一位置為1，EventGrp（i）=1，圖中狀態(tài)EventGrp（7）=1、EventGrp（6）=1、EventGrp（0）=0。Rd有效時，控制電路根據(jù)EventGrp采用一定算法生成優(yōu)先級的高三位；根據(jù)EventGrp讀出某行后生成優(yōu)先級低三位；下一時鐘送出最高優(yōu)先級。以上為對等待表進行基本讀寫操作的過程。

該硬件系統(tǒng)中ECB基本存儲單元通過調(diào)用系統(tǒng)的IP核來實現(xiàn)，根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的不同，采用不同的IP核；多個基本單元通過一個上層文件生成一個ECB單元，每個單元再作為一個基本器件用于實現(xiàn)整個ECB的存儲體。通過地址的譯碼選通ECB單元，根據(jù)控制信號對數(shù)據(jù)做讀寫操作。

2.2 創(chuàng)建/刪除一個信號量

ECB是公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中創(chuàng)建一個信號量時，首先需要申請一個ECB，初始化后才可以對這個信號量進行P/V等操作；在刪除一個信號量后，要對信號量占用的ECB進行釋放。創(chuàng)建信號量時，信號量管理模塊首先要申請一個空ECB，查找ECB的整個存儲體判斷是否有空余的ECB。如果沒有空余ECB，則信號量管理模塊將獲得一個申請失敗信號；否則將獲得一個空ECB的地址，并將其返回給創(chuàng)建該信號量的任務(wù)；再根據(jù)地址初始化ECB。如果用硬件實現(xiàn)信號量管理后，按照以上過程進行操作會浪費很多時鐘，數(shù)據(jù)在模塊間來回傳送增加通信次數(shù)，必然降低系統(tǒng)的執(zhí)行速度。如圖3所示。為方便討論，假設(shè)系統(tǒng)中ECB有64個（可以根據(jù)系統(tǒng)中ECB的個數(shù)來改變表的大?。?，表的每個位置對應(yīng)一個ECB，當某一位置為0時表示該位置對應(yīng)的ECB空閑，為1時表示該位置對應(yīng)的ECB被占用。如圖3所示，第1行、第8列為1，表示偏移地址為000111的ECB被占用；第2行、第2 列為1，偏移地址為010010的ECB被占用。

在創(chuàng)建一個信號量時，查找ECB映射表，判斷是否有為0的位置。如果沒有則返回申請失?。环駝t尋找一個為0的位置，生成ECB的地址，返回給創(chuàng)建該信號量的任務(wù)。在映射表中相應(yīng)位置寫1表明該ECB已經(jīng)被占用，下一時鐘對申請到的ECB進行初始化，寫入信號量初始值。在刪除一個信號量時，首先根據(jù)信號量的ECB地址查詢映射表中對應(yīng)位置是否為0，如果為0，則表示該信號量已經(jīng)被其他任務(wù)刪除，返回刪除錯誤；否則清除該信號量在映射表中的記錄，通知ECB管理模塊將等待該信號的所有任務(wù)置為就緒態(tài)，觸發(fā)一次任務(wù)調(diào)度，清除ECB中的該信號量的所有信息。

2.3 申請/釋放一個信號量（P/V操作）

信號量管理中的主要操作就是P/V操作，P/V操作實現(xiàn)的RTL圖如圖4所示。

（1）P操。令pend_sem有效，首先應(yīng)判斷申請信號量的任務(wù)是否為中斷服務(wù)程序（在μC/OS-II中，中斷服務(wù)程序不允許申請一個信號量），如果是則返回申請錯誤信息，否則進行以下操作：令read_cnt有效去ECB管理模塊讀Cnt值；讀回后判斷Cnt的值。如果Cnt>0，當前申請任務(wù)獲得該信號量，任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，返回申請成功信號pend_err為低；否則pend_err為高阻，根據(jù)申請類型Pend_type來決定是否修改Cnt值，是否將申請信號量的任務(wù)置為等待態(tài)。

（2）V操作。令post_sem有效，通過硬件電路使read_cnt有效，同時給出信號量的ECB地址，下一時鐘讀出Cnt值，并判斷；如果Cnt>0則表示沒有任務(wù)等待當前信號量，修改Cnt值；如果Cnt<0則表示當前有任務(wù)等待該信號量，修改Cnt值，令select_h有效，從ECB任務(wù)等待表中找出優(yōu)先級最高的任務(wù)，通知任務(wù)管理器將該任務(wù)置為就緒態(tài)，觸發(fā)一次任務(wù)調(diào)度。

3 功能仿真

為驗證設(shè)計對系統(tǒng)性能的影響，采用ISE 8.2軟件對各個模塊進行時序仿真。P/V操作仿真結(jié)果如圖5所示。P/V操作需要在兩個模塊之間進行讀寫數(shù)據(jù)，操作過程中，P/V信號始終有效。

（1）pend_sem有效（P操作）。申請信號量任務(wù)的優(yōu)先級為01，申請信號量的地址為05。pend_sem有效，令read_cnt為高，根據(jù)地址pend_addr讀當前信號量的值Cnt，下一個時鐘返回數(shù)值Cnt_in為0002，大于0；任務(wù)獲得信號量繼續(xù)執(zhí)行，wr_cnt為高，Cnt值進行減1操作后送Cnt_out寫回ECB。

（2）post_sem有效（V操作）。根據(jù)地址讀Cnt值，Cnt值為FFFE<0（Cnt值以補碼形式存儲）。下一個時鐘Cnt進行加1操作后寫回ECB，同時Select_h為高，從等待該信號量的任務(wù)列表中選擇出優(yōu)先級最高的任務(wù)設(shè)置為就緒態(tài)，觸發(fā)一次任務(wù)調(diào)度。

（3）申請一個信號量。申請信號量任務(wù)的優(yōu)先級為03，申請的信號量的地址為09。如果下一個時鐘讀回的Cnt值為FFFD<0，并且申請類型為高（有等待申請），則修改Cnt值寫回，令wr_sid為高，將當前申請任務(wù)的優(yōu)先級送pend_prio_out寫入等待該信號的任務(wù)列表中。

（4）申請一個信號量，讀回的Cnt值為FFFA<0，但當前申請類型為低（無等待申請），不進行任何操作，返回申請失敗，通知任務(wù)管理器將當前任務(wù)阻塞。

用戶程序在創(chuàng)建、刪除一個信號量以及申請某類共享資源進行P/V操作時，用軟件實現(xiàn)信號量管理中，一般先從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到系統(tǒng)態(tài)，然后進行基本數(shù)據(jù)的查詢、讀出、比較、判斷等，再轉(zhuǎn)相應(yīng)的程序入口，最后還要從系統(tǒng)態(tài)轉(zhuǎn)回用戶態(tài)。而用硬件實現(xiàn)信號量管理后進行以上操作只需一條讀或?qū)懼噶?，并且這條指令在用軟件實現(xiàn)的信號量管理中也是必須的，其他操作都由硬件邏輯來實現(xiàn)，簡化了操作過程。因此，硬化信號量管理后對整個機器速度的提高是非常明顯的，特別是對資源種類多、數(shù)量大的計算機系統(tǒng)，速度的提高就會更加明顯。另一方面，由于硬件的可靠性遠超過軟件的可靠性，所以硬化后可提高RTOS的可靠性。

單片機處理器能力的提高和應(yīng)用程序功能的復(fù)雜化、精確化，迫使應(yīng)用程序劃分為多個重要性不同的任務(wù)，在各任務(wù)間優(yōu)化地分配CPU時間和系統(tǒng)資源，同時還要保證實時性。靠用戶自己編寫一個實現(xiàn)上述功能的內(nèi)核一般是不現(xiàn)實的，而這種需求又是普遍的。在這種形勢之下，由專業(yè)人員編寫的、滿足大多數(shù)用戶需要的高性能RTOS內(nèi)核就是一種必然結(jié)果了。對程序?qū)崟r性和可靠性要求的提高也是RTOS發(fā)展的一個原因。此外，單片機系統(tǒng)軟件開發(fā)日趨工程化，產(chǎn)品進入市場時間不斷縮短，也迫使管理人員尋找一種有利于程序繼承性、標準化、多人并行開發(fā)的管理方式。從長遠的意義上來講，RTOS的推廣能夠帶來嵌入式軟件工業(yè)更有效、更專業(yè)化的分工，減少社會重復(fù)勞動、提高勞動生產(chǎn)率。