可提高軟件模塊化、并行性和維護(hù)性的實時操作系統(tǒng)

可提高軟件模塊化、并行性和維護(hù)性的實時操作系統(tǒng)德州儀器新推出的DSPC6400系列最高運行時鐘可以達(dá)到1.1GHz，運算能力可以達(dá)到8800MIPS。如何充分發(fā)揮DSP的這種性能優(yōu)勢，對軟件提出了很高的要求。首先為了降低系統(tǒng)成本，就要求將許多以前用硬件實現(xiàn)的功能軟件化，原來由多個DSP完成的工作由一塊DSP完成，DSP要能夠同時完成多個相同或不同的任務(wù)而相互之間沒有影響。其次為了產(chǎn)品的維護(hù)和升級，要求軟件盡可能地模塊化，使用高級語言如C來編程，有統(tǒng)一的接口API。所有這些新的要求，都需要使用實時操作系統(tǒng)。以往直接將應(yīng)用程序運行于裸機(jī)之上的作法顯然已經(jīng)不再適用了。德州儀器推出的DSP/BIOS技術(shù)正是基于其多年從事DSP研制生產(chǎn)的經(jīng)驗，為開發(fā)者量身定做的一個優(yōu)秀軟件平臺。更可貴的是該操作系統(tǒng)是免費的，這為眾多的中小用戶使用DSP打開了方便之門。1實時操作系統(tǒng)簡單地說，實時操作系統(tǒng)與一般意義上的操作系統(tǒng)（如Windows、Unix等）的主要差別就在于實時操作系統(tǒng)提供了一種機(jī)制，使得運行于其上的應(yīng)用程序都能夠滿足實時性的要求。在Windows中常見的沙漏現(xiàn)象（即用戶等待現(xiàn)象）在實時系統(tǒng)中是絕對不允許的。因為這可能造成通訊中斷，馬達(dá)損毀等災(zāi)難性的結(jié)果。DSP/BIOS是特別針對實時系統(tǒng)，運行于德州儀器C5000，C6000系列的DSP之上的一個實時操作系統(tǒng)。DSP/BIOS實際上是一個可調(diào)用的系統(tǒng)模塊API的集合。以下就各個模塊分別加以介紹。2LOG在開發(fā)的時候通常需要使用printf（）來顯示當(dāng)前狀態(tài)。但是printf（）是非?；ㄙM時間的函數(shù)、而且不具有實時性。因為DSP需要對顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整理成合適的顯示格式，并調(diào)用輸出顯示模塊。所以在一個實時性要求很高的應(yīng)用中，對printf（）的調(diào)用可能會使系統(tǒng)根本無法滿足實時要求。在DSP/BIOS中引入了一個相應(yīng)的函數(shù)LOG_printf（）。該函數(shù)是LOG對象的一個方法（或調(diào)用函數(shù)〕。LOG對象本質(zhì)上是一個32bit的整形數(shù)，其高低16bit分別代表要顯示的兩個數(shù)據(jù)。例1是分別使用printf（）和LOG_printf（）作比較的示范程序：#include＜stdio.h＞/*HeaderfilesneededforDSPBIOS*/#include＜std.h＞#include＜log.h＞/*functions*/voidfunc_printf（）;voidfunc_LOG_printf（）;/*ObjectscreatedbytheConfigurationTool*/externLOG_ObjlogTrace;/**＝＝＝＝＝＝＝＝main＝＝＝＝＝＝＝＝*/voidmain（）{return;}voidfunc_printf（inttime）{printf（″Strartprintfdemon″）;printf（″Currenttime＝%dn″、time）;printf（″Endprintfdemon″）;return;}voidfunc_LOG_printf（inttime）{LOG_printf（&logTrace、″StrartLOG_printfdemon″）;LOG_printf（&logTrace、″Currenttime＝%dn″、time）;LOG_printf（&logTrace、″EndLOG_printfdemon″）;return;}func_printf（）和func_LOG_printf（）由DSP內(nèi)時鐘控制每100ms周期性地分別調(diào)用一次。通過對printf（）和LOG_printf（）運行時間作比較發(fā)現(xiàn)，在C6211運行在150MHz的情況下，printf（）需花費4000個周期約26.7μs，LOG_printf（）只花費36個周期約0.24μs。printf（）比LOG_printf（）多開銷100倍以上的時間，因此LOG_printf（）對于實時地顯示一些運行狀態(tài)是非常有幫助的。而且對于熟悉C語言的開發(fā)者來說，LOG_printf（）的調(diào)用格式幾乎與printf（）完全一樣。3STS對一個軟件進(jìn)行分析優(yōu)化時，通常會用到profile的功能。但是在實時運行的DSP的環(huán)境中使用profile等效于加入了多個程序斷點。由于現(xiàn)在的DSP通常具有很深的流水線結(jié)構(gòu)來保證DSP的高運算能力，如德州儀器的C6000系列的流水線長度為12級，程序斷點需要排空所有已經(jīng)進(jìn)入流水線的指令。這樣也就破壞了真正的運行環(huán)境。同時profile還必須調(diào)用輸出模塊向主機(jī)傳遞時間信息。因此在profile的情況下真正的實時運行環(huán)境是沒有辦法得到保護(hù)的。DSP/BIOS針對這種情況引入了一個統(tǒng)計模塊STS。STS對象只有4個數(shù)據(jù)Previous、Count、Total和Max。調(diào)用的方法（API）也只有4個，即STS_add（）、STS_set（）、STS_delta（）和STS_reset（）。這些API對數(shù)據(jù)的操作功能如表1所示。如果要對某一段程序進(jìn)行分析時，只需在其前后調(diào)用STS_set和STS_delta就可以了。如例2使用STS測試程序段執(zhí)行周期如下：/*HeaderfilesneededforDSPBIOS*/#include＜sts.h＞#include＜clk.h＞/*functions*/voidfunc_load（）;/*ObjectscreatedbytheConfigurationTool*/externSTS_ObjstsLoad;/**＝＝＝＝＝＝＝＝main＝＝＝＝＝＝＝＝*/voidmain（）{/*oDSP/BIOSidleloop*/return;}voidfunc_load（）{STS_set（&stsPrintf、CLK_gethtime（））;/*測試程序段*/。。.STS_delta（&stsPrintf、CLK_gethtime（））;}func_load（）為一個中斷服務(wù)程序（ISR）。在C6211，150MHz的情況下，僅插入33個周期，約0.22μs。4任務(wù)調(diào)度（HWI/SWI/TSK）一個操作系統(tǒng)的核心永遠(yuǎn)都是任務(wù)的調(diào)度。在DSP/BIOS中任務(wù)的調(diào)度是通過HWI、SWI和TSK三個模塊來實現(xiàn)的。這三個模塊分別對應(yīng)于不同的調(diào)度方法。HWI即硬件中斷。在DSP/BIOS中硬件中斷主要負(fù)責(zé)從外部設(shè)備中讀寫數(shù)據(jù)。由于硬件中斷直接與硬件打交道，所以對應(yīng)的中斷服務(wù)程序ISR應(yīng)該盡可能地短小精悍。需要注意的是HWI并不引起任務(wù)調(diào)度，因此在ISR的入口和出口成對地調(diào)用_HWI_enter（）和_HWI_exit（）這兩個宏是必須的。HWI在處理完數(shù)據(jù)的輸入輸出后調(diào)用SWI_post（）來調(diào)度相應(yīng)的軟件中斷，SWI來完成數(shù)據(jù)處理工作。SWI是DSP/BIOS任務(wù)調(diào)度的核心，共有14個優(yōu)先級，每個優(yōu)先級可以有多個任務(wù)。SWI任務(wù)是搶斷式的，即高優(yōu)先級的任務(wù)可以搶斷低優(yōu)先級的任務(wù)。但是SWI任務(wù)是不可阻塞的。它的運行狀態(tài)如圖1所示。所有SWI任務(wù)共享一個堆棧，SWI任務(wù)只能在程序編制時預(yù)先定義好。DSP/BIOS中對任務(wù)的動態(tài)產(chǎn)生和對阻塞狀態(tài)的支持是通過TSK模塊來實現(xiàn)的。TSK有15個優(yōu)先級，也是可以搶斷的，但是每個TSK任務(wù)使用獨立的堆棧。TSK任務(wù)是通過TSK_create（）和TSK_delete（）來動態(tài)生成和結(jié)束的。它的運行狀態(tài)如圖2所示。5同步（SEM/ATM/QUE/MBX）多任務(wù)系統(tǒng)中多個任務(wù)之間的協(xié)調(diào)同步工作可以通過多種方法來實現(xiàn)。常用方法如信號量、原子量、隊列和郵箱等。在DSP/BIOS中對這些方法的支持分別通過模塊SEM、ATM、QUE和MBX來實現(xiàn)。由于這些方法的使用與一般的操作系統(tǒng)完全一樣，在這里就不再贅述了。僅就最靈活的在SWI中使用Mailbox的方法來加以簡單地說明。每個SWI任務(wù)都帶有一個Mailbox，對它的操作可以是計數(shù)型的SWI_inc（）、SWI_dec（）也可以是比特位操作型的SWI_or（）、SWI_andn（）。Mailbox控制SWI任務(wù)被調(diào)度的條件。這些操作的功能如表2所示。or操作是將Mailbox中的某一位置1，同時引起SWI任務(wù)的調(diào)度。當(dāng)一個SWI任務(wù)可能由多個事件觸發(fā)時，使用or操作可以方便地表示出觸發(fā)的事件。如例3使用or操作指示觸發(fā)事件：andn操作是將Mailbox中的某一位清0，如果Mailbox為0，則引起SWI任務(wù)的調(diào)度。一個SWI任務(wù)需要多個條件都滿足時才運行的情況下，使用andn操作可以方便地表示出這些條件的狀態(tài)。如例4用andn操作來表示多條件時SWI任務(wù)調(diào)度：inc和dec操作則更加靈活，用戶可以借此實現(xiàn)多種應(yīng)用。唯一需要注意的是，inc操作總是引起任務(wù)調(diào)度，而dec操作僅在Mailbox減到0時才引起一次任務(wù)調(diào)度。6通訊（PIP/SIO/HST）一個系統(tǒng)如何從外部設(shè)備中取得數(shù)據(jù)，向外部設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，如何在兩個任務(wù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)正常交換是多樣靈活的。但是這種多樣性也給軟件的維護(hù)升級以及模塊化工作帶來許多不利因素。因此在保持多樣性的同時，保持接口的一致性對于一個軟件來說是非常有幫助的?？紤]到DSP大多數(shù)是通過某種類型的串行接口如中繼線E1、IIS、SPI、同步串行口等與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的，所以在DSP/BIOS中提供了兩種非常有用的接口對象PIP和SIO。PIP對象包含一個緩沖隊列，與之對應(yīng)的有兩個任務(wù)讀和寫。圖3很好地說明了PIP的邏輯關(guān)系和操作方式。例5，例6分別是一個PIP對象對應(yīng)的讀任務(wù)和寫任務(wù)的示范程序。例5PIP對應(yīng)的讀任務(wù)：externfarPIP_Objpip;reader（）{Unssize;Ptraddr;if（PIP_getReaderNumFrames（&pip）＞0）{PIP_get（&pip）;addr＝PIP_getReaderAddr（&pip）;size＝PIP_getReaderSize（&pip）;/*Codetoemptytheframe*/PIP_free（&pip）;}else{LOG_error（″noframesavailable″）;/*oryoucouldjustreturn;*/}}例6PIP對應(yīng)的寫任務(wù)：externfarPIP_Objpip;writer（）{Unssize;Ptraddr;if（PIP_getWriterNumFrames（&pip）＞0）{PIP_alloc（&pip）;addr＝PIP_getWriterAddr（&pip）;size＝PIP_getWriterSize（&pip）;/*filltheframeuptosize*/PIP_put（&pip）;}else{LOG_error（″noframesavailable″）;/*oryoucouldjustreturn;*/}}由邏輯關(guān)系可以看到，通過使用PIP應(yīng)用程序可以保持一個簡單統(tǒng)一接口而不必關(guān)心具體的硬件操作，因此當(dāng)該軟件移植到不同環(huán)境中時，至多只需要改寫設(shè)備驅(qū)動程序。使用PIP的一個具體實例就是HST模塊。HST模塊在主機(jī)和DSP之間建立起一條數(shù)據(jù)鏈路，該鏈路就是一個PIP對象。對HST的操作方式與PIP一致。其差別僅僅在于HST在初始化時指向了預(yù)定義的DSP上的HPI接口而已。SIO：從PIP的邏輯關(guān)系可以看出，讀寫PIP就是一個數(shù)據(jù)拷貝的過程。這在某些應(yīng)用中，如實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP時，不是非常有效。因為數(shù)據(jù)每向上傳遞一層就需要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)拷貝，其效率非常差。如果采用SIO來實現(xiàn)就會有很大的改善。SIO的操作只有g(shù)et（）和put（）兩種。與PIP不同的是SIO沒有自己的緩沖隊列。每次get（）或put（）操作時都會在應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序之間交換緩沖的指針。所以SIO操作的實質(zhì)是數(shù)據(jù)地址的交換。由于沒有數(shù)據(jù)拷貝，其運行效率就很高。SIO的運行邏輯如圖4所示。7RTDX實時數(shù)據(jù)交換Real－Time－Data－eXhange是DSP/BIOS提供的一個全新的功能。在很多應(yīng)用中要求DSP不能夠停下來，而需要從主機(jī)中實時地讀取數(shù)據(jù)或者向主機(jī)實時地輸出數(shù)據(jù)。德州儀器的C5000，C6000系列的DSP都可以通過JTAG接口來實現(xiàn)這個功能。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。RTDX在主機(jī)端可以與任何符合OLE接口的應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。例7是一個使用RTDX在主機(jī)和DSP之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的例子。主機(jī)端是一個基于VB的小程序。例7DSP程序：#include＜rtdx.h＞RTDX_CreateIn