如何将RTOS添加到您的Zynq SoC设计中

　　1 什么是实时操作系统?

　　实时操作系统是确定的，意思是指系统需要在明确的截止时间内做出响应。这种确定性很重要，其原因有多种，例如，如果最终应用正在监控工业流程，那么必须在特定时段内对事件做出响应，工业控制系统就属于这类情况。

　　可根据满足截止时间的能力对RTOS进一步分类为三种不同类型的RTOS，每种类型都以不同方式满足截止时间。在hard RTOS中，错过截止时间被视为系统错误。而对于firm RTOS就不是这样，偶尔错过截止时间是可以接受的。在soft RTOS中，错过一次截止时间会减少结果的有效性，但系统在整体上对此是可以接受的。

　　实时操作系统以运行任务为核心，每项任务执行规定的功能。例如，某个任务可能通过接口读取数据，或对数据执行某种操作。简单的系统可能只运行一项任务，但采用分时法，每个任务都会获得处理器上的一个专用时间档，而更高优先级的任务还可分配多个时间档。更多情况下处理器上会同时运行多项任务。这些任务间的转换被称为“上下文切换”，它要求将与每项任务关联的处理器状态存储并添加到任务栈中。

　　下一步运行哪项任务将由内核来控制。该内核是RTOS的核心，用来管理软件的输入与输出请求，并将它们转换为处理器中央处理单元和功能元件能识别的数据处理指令。任务调度可能比较复杂，尤其是当需要避免死锁(指两个或更多任务相互锁定)时更是如此。两种基本调度方法分别是分时法和事件驱动法。采用分时法，每项任务都会获得处理器上的一个专用时间档，而更高优先级的任务还可分配多个时间档。时间分段通过定期中断或定时器进行控制，这种方法通常被称为 “轮询调度”。而采用事件驱动方案，只有当具有更高优先级的任务需要运行时才会进行任务切换。这种方法通常称为“抢先式调度”。

　　2 死锁、资源共享和互斥等待

　　当两个或两个以上进程(例如UART、ADC或DAC)需要使用相同资源时，它们可以同时对该资源提出请求。这种情况下，应对访问进行控制以防出现争用现象。如何对此进行管理非常重要，若不采用正确的管理方法，就会出现“死锁”或“互斥等待”这样的问题，从而导致系统错误。

　　当某个进程占用一种资源且无法将其释放时，就会出现死锁，因为在这种情况下无法完成该项任务。该进程需要使用当前被另一进程占用的另一种资源。由于系统无限期地处于这种状态，因此可以说应用程序已被锁死。可以想象，死锁对于实时操作系统来说是非常不好的。

　　当某个进程因为所需要的资源总是被分配给其它进程而无法运行时，就会发生互斥等待。多年来，已经有很多关于这类主题的文章和资料，也推荐了很多解决方案，例如Dekker算法，这是一种用于并行程序中互斥问题的经典解决方法。处理这类情况的最常用方法是信号量法，通常分为二进制信号量和计数信号量这两种类型。

　　通常，为每种资源会分配一个二进制信号量。请求进程会在任务执行之前等待资源变为可用资源。一旦任务完成，请求进程就会释放该资源。这些信号量通常被称为等待(WAIT)和发信号(SIGNAL)操作。进程首先等待信号量。如果资源闲置，进程将被赋予该资源的控制权，并运行直到完成，此时进程会发出完成信号。但是，如果进程在等待信号量时资源已被占用，那么进程将会被暂停直到该资源被释放为止。当前正在执行的进程一旦完成，暂停状态就会立刻终止，但如果具备更高优先级的进程抢先占用该资源，那么就需要等待更长的时间。通常使用名为互斥锁(mutexes)的特殊二进制信号量来防止优先级反转的发生。

　　计数信号量的工作方式与二进制信号量相同，但是只有当特定资源类型有一个以上的实例时才会使用计数信号量(例如数据存储)。由于每个资源都被分配到一个进程中，因此计数数值会减少以显示剩余的可用资源数量。当数值减至为零时可用资源就没有了，同时提出请求的进程就会被暂停，直到有一种资源被释放为止。

　　不同进程之间经常进行通信是很有必要的。最简单的方法是按如上所诉的方式使用数据存储和信号量。更为复杂的技术包括消息队列。采用消息队列，当一个进程需要向另一个进程发送信息时，它会向队列POST一条消息。当一个进程需要从队列中接收消息时，它会PEND队列。因此，消息队列的工作原理就像FIFO(先入先出)存储器一样。

　　3 µC/OS-III操作系统

　　Micrium的µC/OS-III是一种优先式RTOS，意思是指它总是运行已做好执行准备并具有最高优先级的任务。要想将该操作系统添加到您的Zynq SoC系统设计中，第一步需要从Micrium网站下载µC/OS-III RTOS。下载后，安装工作非常简单。您只需要将一些ZIP文件解压到电脑上赛灵思安装程序中的正确文件夹(路径)。

　　应确保将名为Zynq-7000-ucosiii-bsp.zip的ZIP文件解压到 ISE_DSEDK sw libbsp文件夹。您会在此文件夹下看到一些其它操作系统，包括独立系统和xilkernel。随后，如图1所示，将名为Zynq-7000-ucosiii-demo.zip的ZIP 文件解压到\ISE_DSEDKswlibsw_apps文件夹。您会在此文件夹内看到一些其它应用的演示。