隨著嵌入式技術的發展，實時操作系統RTOS（Real Time Operating System）被越來越多地應用在嵌入式系統中，如：航空航天、工業控制、汽車電子和核電站建設等眾多領域。對于現有基于軟件實現的實時操作系統，單純依靠改進調度算法已不能使其實時性有更大的提高。如果采用硬件邏輯實現RTOS中的任務調度、中斷處理和定時器管理等功能，則可使其實時性和確定性顯著提高。因為硬件邏輯獨立于處理器運行，不占用處理器的處理時間，所節省的時間用于執行任務程序，從而提高了任務集合的可調度性和實時性。本文基于“外部處理器+FPGA”的硬件平臺結構［1］，在FPGA上設計和實現了硬件實時操作系統。
　　1 硬件實時操作系統的結構和運行原理
　　硬件實時操作系統能實現典型實時操作系統的各種功能模塊，包括：任務調度內核、中斷管理模塊、定時器模塊、資源管理模塊和內存管理模塊等［2］。為了實現穩定可靠的系統，本文采用逐步演進的方法。首先實現由任務調度內核（也稱作硬件調度內核）、中斷管理、定時器管理和接口軟件構成的最小系統，然后逐步增加其他功能模塊。
　　硬件RTOS的結構如圖1所示。調度內核是系統的核心，負責任務的調度管理；中斷管理模塊負責管理外部中斷；定時器模塊負責任務延時和周期執行。硬件RTOS的數據通過接口總線與外部系統通信［3］。
　　
　　任務調度內核使用FPGA的片內寄存器實現任務控制塊TCB（Task Control Block）隊列（簡稱任務隊列）。所有未執行任務放在等待隊列和就緒隊列中。等待隊列中的任務在條件滿足時將變為就緒任務。本文中，等待任務主要等待定時器時間和中斷到達。任務調度內核能在每個調度時機計算出優先級最高的就緒任務。調度內核采用搶占式調度機制，每個調度時機輸出優先級最高的就緒任務。
　　中斷模塊接管處理器除通知中斷以外的所有外部中斷，中斷服務程序稱作“中斷處理任務”，與普通任務一樣被硬件內核調度。外部中斷到來時，觸發硬件內核的調度時機，保證中斷任務的實時執行。此時，軟件實時操作系統的中斷嵌套已經轉換為處理器中任務的搶占，高優先級的中斷任務可以搶占低優先級任務。
　　定時器管理模塊實現任務的延時和周期運行，在設定任務周期或延時時間后，每當設定時間到時便會使對應任務就緒，并觸發硬件內核的調度時機，由后者執行一次任務調度。
　　接口總線硬件實現處理器與硬件RTOS之間的數據傳輸和事件通知。接口軟件從功能上分為兩類：（1）系統API。被應用程序調用，能通過接口總線向硬件RTOS發送命令。硬件RTOS收到命令后，解析數據，執行相應操作。（2）通知中斷服務程序。硬件RTOS進行一次任務調度后，如果發現新“選出”的最高優先級就緒任務與當前處理器正在執行的任務不同，則需要進行現場切換。硬件調度內核將利用通知中斷告知處理器該就緒任務的ID和堆棧地址，觸發后者執行中斷服務程序，以執行現場切換。
　　任務存在阻塞（S0）、就緒（S1）和運行（S2）三個狀態，定時器存在停止（T0）、運行（T1）兩個狀態，中斷模塊存在無效（I0）、有效（I1）兩個狀態。圖2描述了最小系統各模塊的運行狀態。
　　
　　2 系統設計與實現
　　本文選用ARM9系列的處理器S3C2410和Actel公司的FPGA芯片APA075，用后者實現硬件實時操作系統，調度在處理器上執行的任務。
　　2.1 任務調度內核的設計實現
　　實時操作系統的核心是任務調度內核，其主要功能是根據調度算法，在每個調度時機確定下一個將要執行的任務，并適時進行現場切換。為此，調度內核需要維護一系列的任務隊列（如就緒任務隊列和等待任務隊列），并在每個調度時機，根據優先級重新排列就緒隊列，以計算出優先級最高的就緒任務。
　　合理的任務控制塊是實現硬件調度內核的關鍵，應能根據調度算法分配優先級，并利于優先級比較，而且能夠索引最終結果。根據上述需求，設計了如圖3所示的任務控制塊結構。其中ID為任務號，State為任務狀態，Prio為任務優先級，SP_End為任務堆棧終止地址，Run_Time 為任務起始運行時間，End_Time為任務結束運行時間。起始和截止時間能根據特定算法分配任務的優先級。Delay_Counter為任務延時計數器，Timer_Counter為周期任務分頻計數器，Int_Number為中斷號。