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准时,随时:嵌入的实时性能

Warren Webb?? EDN技术编辑?? 2009年01月01日 ?? 收藏0

  高速图形、用户界面和网络代表了嵌入系统设计的标准,而这些性能问题要求采用多任务的固件。
  要点
  * 关键嵌入式操作系统必须具有确定无疑的性能,以保证发生外部事件或定时事件后在准确时间内启动任务。
  * 内核是实时操作系统的核心,包括中断处理器、调度程序、资源共享标记以及内存管理。
  * 安全、网络和GUI(图形用户界面)等插件模块必须同时运行,而不破坏RTOS(实时操作系统)的性能。
  * RTOS感知的软件开发工具链简化固件调试和实时性能分析。

  随着新一代懂得计算机的用户和游戏玩家成为主要的嵌入设备客户,响应性能与实时性能成为了关键的评估因素。系统要管理优先级和各个任务,为用户、外部事件和网络提供近似即时的响应。为满足这些需求,商业供应商和开源社区提供了许多可以立即运行或定制的软件包,范围从最小的资源核心,到全功能的RTOS(实时操作系统)。然而,在选定一种方案以前,重要的是分析一个候选包的内部工作状况,看它是否完全适合自己的应用。有一些实时功能和特性可以决定您设计的成败,如调度算法、任务同步、资源需求、内存分配、延迟、附加模块、认证、安全、多核选择,以及开发工具支持等。

  实时系统可响应外部事件或时序事件,自动地执行软件例程或任务。大多数嵌入式RTOS都设计有抢先多任务,一个任务可以挂起所有较低优先级的例程,并获得对处理器的控制权,直到较高优先级的任务完成,或有更高优先级的任务抢占前一个任务。所谓的软实时平台只是简单地列出起动例程的一个平均时长,而多数关键的嵌入操作系统都必须有确定性,以保证在某个外部事件后,任务能在一个精准时长内起动。一个用于嵌入设备的典型多任务RTOS基本架构包括:程序接口、核心、设备驱动,以及可选的服务模块。

  核心是实时软件的内核,包括一个中断处理器、一个调度程序、资源共享标志,以及内存管理。核心的主要功能之一是处理内、外部事件产生的中断。当中断发生时,处理器将控制权转给一个服务例程,用于记录事件,向调度程序发送一个消息,并返回激活码。调度程序根据优先级,为每个任务建立执行顺序,并保存每个中断的执行信息。除了优先权调度以外,一个实时核心还要为任务同步提供标志。例如,如果多个任务想要同时使用一个数据资源,则一个标志或信标会将该资源锁定到单一任务上,直到传输完成。

  对于延迟最小化,核心设计也很重要,延迟会降低一个实时系统的性能。中断延迟是外部事件(如一个开关闭合)之间的最差延迟,且是中断例程的第一条指令。如果使能了处理器中断,则硬件延迟时间只有纳秒级长度,但不同处理器之间可以有变化。处理器在跳至所要求的中断位置以前,只需要完成当前指令。如果处理器只有一个中断线,则轮询输入的时间就决定了要调用哪个中断例程,它是中断延迟的一部分。另一种核心造成的延迟是在任务间切换所花的时间。每个任务都有一个程序计数器、一个数据区指针、寄存器数据,以及其它状态信息,处理器必须为当前任务保存这些信息,而为抢先任务恢复信息。

  RTOS设计者一般都包含了很多核心以外的可选模块和驱动,以吸引更多用户,并确保组合的封装能满足宣称的性能规格。例如,几乎所有RTOS都有通信协议,如TCP/IP(传输控制协议/互联网协议),多数主要RTOS供应商还提供GUI(图形用户界面)例程。用户可以根据应用情况,增加或删除这些模块。Green Hills Software公司提供多种配置的综合RTOS,面向各种嵌入系统应用,包括航天、汽车、医疗、安全网络、无线和软件无线电。这些预配置的封包整合了最常用的模块和驱动,成为一个商用成品的系列平台。综合RTOS的单用户企业产品开发许可起价为15000美元,运行时的部署无需许可费。

  如果你的应用需要大量数据处理或分布式处理器,应考虑一种面向多处理器的RTOS。你可以将任务分配给多个处理器,获得显著的性能提升;不过,所有任务都必须有不间断的通信,以维持确定的性能。例如,高性能Enea Embedded Technology OSE(操作系统环境)面向高可用、高可靠性的分布式系统,如电信网络中的系统。最新更新的Linx功能增加了优先级消息发送,维护系统中由于故障情况而拥塞的进程间通信。Enea OSE的单开发座席价格从8000美元起,Linx现有起价为5000美元的多用户许可。

图1ExtremeEngineeringSolutions公司的Xpedite5370单板机为设计者提供了对主要实时操作系统的板载支持软件


  消除实时硬件集成意外的一种方式是用COTS(商用成品)模块建立你的嵌入设计,这些模块包含了预先配置的支持软件。例如,Extreme Engineering Solutions公司最近推出的XPedite5370单板计算机具有对Wind River VxWorks、QNX Neutrino和Green Hills Integrity公司RTOS的板级支持包(图1)。Extreme Engineering公司符合VITA(VMEbus国际贸易协会)46的3U模块采用飞思卡尔半导体公司的MPC8572E PowerQUICC(四重集成通信控制器)III双核处理器,器件支持PCIe(外设部件快速互连)上的高速结构化互连、Serial Rapid I/O和GbE(千兆以太网)。XPedite5370的起价不到8000美元,批量另有折扣。


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