VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Обычно операционные системы реального времени (RTOS) реализованы как программное обеспечение, но все больше и больше встраиваемых систем разрабатываются на FPGA платформе. FPGA может быть использована при ускоренном параллельном выполнении различных задач.

Основными недостатками стандартного программного обеспечения на основе RTOS является то, что они страдают от нагрузки на вычислительные мощности и часто требуют большой объем памяти.

Требования высокой производительности (вычислительной мощности) RTOS обусловлены в основном блоком управления прерываниями, который снижает производительность с ростом количества задач и высоких частотах, но и планирования задач, ресурсов распределение и освобождение, обнаружение тупиков и различные другие функции ОС / API, потребуется время выполнения задач, выполняемых на CPU.

Внешняя обработка асинхронных прерываний также является источником индетерминизма, так как это будет вызывать неопределенность уровня приоритета, чтобы обеспечить завершение задачи в течение их времени выполнения.

Повышенные требования предъявляются к памяти программного обеспечения RTOS, отчасти это связано с необходимостью создания стека для каждой задачи, но и требования в объеме пространства как ОЗУ и ПЗУ, для хранения структурных данных RTOS, так как программный код может занимать достаточно большой объем. Разработанным решением является HartOS, аппаратное обеспечение реализовано в операционной системе реального времени, поддерживающей все основные функции, ожидаемые от полной RTOS без ущерба для гибкости.

Упрощенная блок-схема системы

HartOS состоит из двух главных частей: программное обеспечение API и твердое - ядро изделия. Рисунок 1 показывает первоначальный проект блок-схемы системы.

Рисунок 1 -Блок-схема системы

Программное обеспечение API будет содержать все функции интерфейса, необходимые для связи с ядром, а также CPU определенного функционала для обработки контекстных переключений, инициализирующих стековые фреймы и т.д.

Аппаратное ядро будет содержать всю функциональность RTOS. Его структура состоит из трёх главных частей: Диспетчер задач, Менеджер по IRQ/Прерыванию и Менеджер ресурсов.

Диспетчер задач будет решать все функции, необходимые для реализации базируемого ядра чистой задачи. Главные функции этого: Таймер, Сторожевой таймер, Диспетчер и модули Планировщика. Массив TCB's (Блок управления задачей) будет содержать необходимые данные, чтобы управлять и восстановить контекст задач в системе. Менеджер по IRQ реализует контроллер прерываний и логику, необходимую для взаимодействия через интерфейс с остальной частью ядра. Менеджер ресурсов должен управлять ресурсами ядра.

Особенности общей архитектуры

Как иллюстрировано в рисунке 1 HartOS будет состоять из трех главных (ядро) модулей: Диспетчер задач, диспетчер прерываний и менеджер ресурсов. Главная цель такой архитектуры состоит в том, чтобы сделать каждый из этих модулей максимально независимым, таким образом, модуль может быть легко удален, должна также быть, возможность обновить/изменить внутреннюю функциональность модуля, не затрагивая остальную часть системы.

Заключение

Исходя из рассмотренных публикаций, можно сказать, что основные недостатки программного обеспечения на основе RTOS могут быть ликвидированы путем реализации всего ядра операционной системы в режиме реального времени на аппаратном уровне. Продуманный дизайн и использование новейших технологий FPGA, позволяет реализовать полнофункциональные и гибкие аппаратные RTOS (HartOS).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. J. Lee, I. Mooney, V.J., A. Daleby, K. Ingstrom, T. Klevin, and L. Lindh, “Acomparison of the rtu hardware rtos with a hardware/software rtos,” pp. 683 – 688, jan. 2003.

2. S. Nordstrom, L. Lindh, L. Johansson, and T. Skoglund, “Application specific real-time microkernel in hardware,” p. 4 pp., jun. 2005.

3. S. Nordstrom and L. Asplund, “Configurable hardware/software support for single processor real-time kernels,” pp. 1 –4, nov. 2007.

Код для цитирования: Скопировать