隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)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，但是對現(xiàn)有基于軟件實(shí)現(xiàn)的RTOS，單純依靠改進(jìn)調(diào)度算法已經(jīng)不能使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有很大提高。為提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)提出RTOS硬化的方法，并開始做這方面的研究工作［1］。目前，軟件硬化常用的有兩種方法：（1）微程序方式，特點(diǎn)是成本較低，方便靈活；（2）組合邏輯方式，特點(diǎn)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［2］。信號量管理是RTOS中頻繁運(yùn)行的程序段之一，如果將這一部分用硬件實(shí)現(xiàn)，對提高機(jī)器的速度將有很明顯的效果。本文采用組合邏輯方式參照μC/OS-II將信號量管理及ECB管理硬化到一片芯片上，作為獨(dú)立的模塊與處理器并行工作。
　　1 信號量管理的工作原理
　　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(jì)數(shù)值Cnt。當(dāng)數(shù)值為正時(shí)用于記錄可使用的資源數(shù)，當(dāng)數(shù)值為負(fù)，其絕對值表示等待當(dāng)前信號量的任務(wù)個(gè)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(gè)ECB來存儲(chǔ)。一個(gè)任務(wù)或ISR可以通過ECB向另外的任務(wù)發(fā)信號，一個(gè)任務(wù)可以等待另一個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)子程序給它發(fā)送信號，多個(gè)任務(wù)可同時(shí)等待同一個(gè)事件的發(fā)生［3］。當(dāng)事件發(fā)生后，等待該事件的優(yōu)先級最高的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，觸發(fā)一次任務(wù)調(diào)度［3］。任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序都可以給ECB發(fā)信號，對ECB進(jìn)行操作。
　　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(dú)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(jìn)行處理，在信號量管理模塊與ECB的存儲(chǔ)模塊間建立一條數(shù)據(jù)通路，在不增加總線負(fù)擔(dān)的情況下加快二者間的通信。這些硬件邏輯獨(dú)立于CPU工作，減少了CPU的工作，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。
　　
　　2 信號量管理的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　2.1 ECB的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　ECB是實(shí)現(xiàn)信號量管理的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信號量管理之前，要先完成ECB管理的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)。每個(gè)ECB存儲(chǔ)單元包含一個(gè)EventType（事件類型），用于標(biāo)記當(dāng)前ECB被分配給信號量、互斥型信號量、郵箱還是消息隊(duì)列；當(dāng)一個(gè)ECB被分配給信號量時(shí)，Cnt做為信號量的計(jì)數(shù)器；ECB中的等待表lut用于存儲(chǔ)等待當(dāng)前信號量任務(wù)的優(yōu)先級（μC/OS-II中沒有兩個(gè)任務(wù)有相同的優(yōu)先級）［3］。
　　ECB中等待表硬件實(shí)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(gè)8行8列的矩陣，存儲(chǔ)單元編號從00~77。當(dāng)一個(gè)任務(wù)在申請當(dāng)前信號量而沒有獲得時(shí)，應(yīng)將當(dāng)前任務(wù)設(shè)置為等待狀態(tài)，令Wr有效，以申請?jiān)撔盘柫咳蝿?wù)的優(yōu)先級為地址，進(jìn)行譯碼，選通相應(yīng)單元后再進(jìn)行寫1操作。例如，申請?jiān)撔盘柫康娜蝿?wù)優(yōu)先級Sid為111111時(shí)，對其進(jìn)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(jìn)入等待狀態(tài)。若要將一個(gè)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(chǔ)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(dāng)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(shí)，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(shí)鐘送出最高優(yōu)先級。以上為對等待表進(jìn)行基本讀寫操作的過程。