引言 隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，DSP處理芯片的處理能力越來越強(qiáng)大，控制的外圍設(shè)備越來越多，軟件算法也越來越復(fù)雜。對于DSP系統(tǒng)的軟件開發(fā)，不僅要面對復(fù)雜的軟件算法，同時(shí)還要把大部分精力放在各種外圍設(shè)備和相關(guān)的硬件控制上，整個(gè)過程復(fù)雜而艱辛。因此，為這一類系統(tǒng)開發(fā)小巧精致、便于移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有實(shí)際的意義。本文參考開放源代碼實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC／OS-II，完成了基于ADI公司的ADSP-TigerSHARC101S（以下簡稱TS101）系列DSP芯片的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。 1 TS101芯片簡介 TS101是美國ADI公司生產(chǎn)的一款高性能靜態(tài)超標(biāo)量處理器。ADSP-TS101S的內(nèi)核指令周期為3.3ns，每周期能夠執(zhí)行4條指令、24個(gè)16-bit定點(diǎn)運(yùn)算和6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算。內(nèi)部有三條相互獨(dú)立的128bit寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，每條總線各連接一個(gè)2MB內(nèi)部存儲器陣列，可提供4個(gè)字的數(shù)據(jù)、指令及I／O訪問，以及14.4Gbytes／s的內(nèi)部存儲器帶寬。 在ADSP-TS101內(nèi)部的雙運(yùn)算模塊中，每個(gè)均包含一個(gè)ALU、乘法器、64-bit移位器和32個(gè)字的寄存器組及相關(guān)的數(shù)據(jù)對齊緩沖器（DAB）。芯片中的雙整數(shù)ALU（IALU）均有自己的31個(gè)字的寄存器組以用于數(shù)據(jù)尋址。此外，TS101中還帶有一個(gè)帶指令對齊緩沖器 （IAB），以及分支目標(biāo)緩沖器（BTB）和中斷控制器的程序控制器，同時(shí)有三條相互獨(dú)立的128bit寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線以及片內(nèi)6MB SRAM；TS101提供有與主機(jī)處理器、多處理器空間（DSP）、外部SRAM和SDRAM相連的外部端口和一個(gè)14通道DMA控制器、四個(gè)鏈路口、兩個(gè)64bit問隔定時(shí)器和定時(shí)器計(jì)滿引腳。芯片上一個(gè)與IEEE 1149.1兼容的JTAG接口可用于片上仿真。 2 基于TS101的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能 本文介紹的基于TS101的嵌入式操作系統(tǒng)是參考源碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC／OS-II來設(shè)計(jì)的，實(shí)際上，它和uC／ OS-II一樣，僅僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，而不具有像GUI、TCP／IP協(xié)議棧等功能部件。它支持占先式多任務(wù)調(diào)度，并可提供有效的服務(wù)（如信號量、郵箱、隊(duì)列、延時(shí)、超時(shí)等）。同時(shí)，在uC／OS-II基礎(chǔ)上可引入高級操作系統(tǒng)中的進(jìn)程和線程等概念。因此，本沒計(jì)采用了進(jìn)程與線程結(jié)合的方式，即將實(shí)現(xiàn)不同功能的任務(wù)視為進(jìn)程，然后在任務(wù)內(nèi)部進(jìn)行細(xì)分，以劃分為不同的線程。進(jìn)程間的調(diào)度與切換在TS101內(nèi)部存儲區(qū)和外部擴(kuò)展存儲區(qū)（例如SDRAM）中進(jìn)行，而線程間的調(diào)度與切換則在TS101內(nèi)部存儲區(qū)中實(shí)現(xiàn)。從本設(shè)計(jì)的整個(gè)TS101嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)來看，它的基本功能主要包括任務(wù)管理、中斷管理、內(nèi)存管理三方面內(nèi)容。 在TS101嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的三大塊功能中，任務(wù)管理功能模塊基本上是uC／OS-II的簡單移植，本文主要針對中斷處理和存儲器管理兩大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。 3 TS101的中斷處理 TS101的中斷處理包括硬件中斷和軟件中斷兩大類，其中軟件中斷又包括軟件異常中斷和Debug中斷。 3.1 硬件中斷 TS101處理器不需要專門的堆棧指針來保存現(xiàn)場，器件中IALU的J、K寄存器都可以用作堆棧指針。在允許嵌套中斷的中斷服務(wù)程序中，可將中斷返回地址（即RETIB）值保存到堆棧中，這樣，在從RETIB讀出返回地址后，系統(tǒng)將自動(dòng)開啟全局中斷使能。但在保存相關(guān)的寄存器和RETI時(shí)本應(yīng)禁止全局中斷使能，所以這是在程序控制器將PC寫入RETI時(shí)自動(dòng)完成。如果系統(tǒng)不支持嵌套的硬件中斷，則無需把處理器狀態(tài)保存在堆棧中。中斷一般根據(jù)寄存器RETI執(zhí)行并在中斷后返回，而不需要再對硬件中斷的全局禁止位進(jìn)行處理。 3.2 軟件中斷 （異常） 異常軟件中斷是在程序執(zhí)行的過程中觸發(fā)的。使能異常中斷時(shí)，可將PMASK[62]置位，并將PC存儲于RETS；而對于仿真異常，則將PMASK[63]置位，PC存儲于DBUG中。當(dāng)異常中斷出現(xiàn)時(shí)，程序控制器將從寄存器IVSW指向的地址取址，仿真異常則從EMUIR寄存器取址，同時(shí)將指令流水的指令清空。 3.3 中斷返回 中斷返回是通過在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行RTI指令來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，這要求在響應(yīng)中斷服務(wù)程序時(shí)就將返回的地址保存在該寄存器中。通常要求至少在執(zhí)行該指令前的8個(gè)指令周期就將返回地址放入在寄存器RETIB中，這樣，分支緩沖BTB才能使用。 4 操作系統(tǒng)中斷處理的實(shí)現(xiàn) 在本操作系統(tǒng)中，對于用戶中斷服務(wù)程序的處理過程，其示意代碼和功能如表1所列。 事實(shí)上，用戶應(yīng)首先將處理器的寄存器壓人當(dāng)前堆棧[程序列表1中的（1）]。在進(jìn)行中斷處理時(shí)，操作系統(tǒng)需要知道用戶在做中斷服務(wù)，因此，用戶應(yīng)該調(diào)用OS_Int_Enter_C（）將全局變量OSIntNesting[程序列表1中的（2）]直接加1。完成上述兩步以后，用戶就可以開始服務(wù)于引發(fā)中斷的設(shè)備了[程序列表1中的（3）]。由于該操作系統(tǒng)允許中斷嵌套，而且系統(tǒng)能跟蹤嵌套層數(shù)OS-IntNesting。然而，為允許中斷嵌套，在多數(shù)情況下，用戶應(yīng)在開中斷之前先清中斷源。調(diào)用脫離中斷函數(shù)OS_Int_Exit_C（）[程序列表1中的（4）]標(biāo)志著中斷服務(wù)子程序的終結(jié)，同時(shí)OSIntExit （）會將中斷嵌套層數(shù)計(jì)數(shù)器減l。當(dāng)嵌套計(jì)數(shù)器減到零時(shí)，所有中斷，包括嵌套的中斷便都完成了。此時(shí)操作系統(tǒng)要判定有沒有優(yōu)先級較高的任務(wù)被中斷服務(wù)子程序（或任一嵌套的中斷）喚醒。如果有高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，系統(tǒng)則返回到那個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)，OS_Int_Exit_C（）返回到調(diào)用點(diǎn)[程序列表1中的（5）]。保存的寄存器的值將在這時(shí)被恢復(fù)，然后在去執(zhí)行中斷返回指令[程序列表1中的 （6）]。應(yīng)當(dāng)注意的是，如果調(diào)度被禁止（OSIntNesting>0），系統(tǒng)將返回到被中斷的任務(wù)。 以上描述的詳細(xì)解釋如圖1所示。圖中，有時(shí)中斷來到了[圖1（1）]，但還不能被處理器識別，這也許是因?yàn)橹袛啾徊僮飨到y(tǒng)或用戶應(yīng)用程序關(guān)了，或者是因?yàn)樘幚砥鬟€沒執(zhí)行完當(dāng)前的指令。一旦處理器響應(yīng)了這個(gè)中斷[圖1（2）]，處理器的中斷向量將跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序[圖1（3）]。中斷服務(wù)子程序在處理器寄存器（也叫做CPU context）[圖1（4）]中一旦保存完畢，用戶中斷服務(wù)子程序?qū)⑼ㄖ僮飨到y(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，辦法是通過調(diào)用OS_Int_Enter_C（）給OS-IntNesting加1[圖1（5）]。然后用戶中斷服務(wù)代碼開始執(zhí)行[圖1（6）]。應(yīng)當(dāng)注意的是，用戶中斷服務(wù)中做的事要盡可能地少，而把大部分工作留給任務(wù)去做。用戶中斷服務(wù)完成以后，要調(diào)用OS_Int_Exit_C（）[圖1（7）]。從時(shí)序圖上可以看出，對被中斷的任務(wù)來說，如果沒有高優(yōu)先級的任務(wù)被中斷服務(wù)子程序激活而進(jìn)入就緒態(tài)，OS_Int_Exit_C（）只占用很短的運(yùn)行時(shí)間。在這種情況下，CPU寄存器只是簡單地恢復(fù)[圖1（8）]并執(zhí)行中斷返回指令[圖1（9）]。而如果中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，則OS_Int_Exit_C（）將占用較長的運(yùn)行時(shí)間，因?yàn)檫@時(shí)要進(jìn)行任務(wù)切換[圖1（10）]。新任務(wù)的寄存器內(nèi)容要恢復(fù)并執(zhí)行中斷返回指令[ 圖1（12）]。 5 存儲器管理 在TS101的C環(huán)境下，可將內(nèi)存劃分為代碼區(qū)（code）、數(shù)據(jù)區(qū)（data）、堆（heap）區(qū)和棧（stack）區(qū)。代碼區(qū)用來存放用戶代碼，數(shù)據(jù)區(qū)用來存放全局變量和靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)，棧區(qū)用來存放臨時(shí)變量等數(shù)據(jù)，堆區(qū)用來為用戶提供動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。在編譯器的鏈接描述文件（Linker DescriptonFile.LDF）中，可以手動(dòng)劃分各個(gè)內(nèi)存分區(qū)的大小。在TS101所提供的庫函數(shù)中已經(jīng)包含了比較完備的內(nèi)存管理函數(shù)（如常用的calloc，free，malloc和realloc等函數(shù)），可用于對內(nèi)存進(jìn)行基本管理。 在對操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)將重心放在內(nèi)存的擴(kuò)展上，以便有效地使用外部存儲器（例如SDRAM等）。為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)存擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)將一個(gè)大型任務(wù)看作一個(gè)進(jìn)程，再將一個(gè)進(jìn)程劃分為不同的小線程。在系統(tǒng)的外部存儲器中可以存放多個(gè)進(jìn)程，而每次只將一個(gè)讀人到內(nèi)存中來運(yùn)行。操作系統(tǒng)的主要管理對象是這個(gè)進(jìn)程所劃分的多個(gè)線程。這樣，在一個(gè)系統(tǒng)中就可以運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，它們之間可以由程序進(jìn)行由內(nèi)存到外存或由外存到內(nèi)存的切換控制，但在切換過程中需要花費(fèi)一些時(shí)間代價(jià)。 5.1 外部存儲器堆區(qū)的使用 TS101為用戶提供了堆區(qū)，并提供有calloc、malloc、realloc和free等函數(shù)來對其進(jìn)行管理和使用，同時(shí)用戶可以通過手動(dòng)修改鏈接描述文件以獲得相對較大的堆區(qū)。然而，在默認(rèn)情況下，用戶所能使用的只是鏈接描述文件中所提供的那一塊堆區(qū)，這對用戶來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如果用戶在外部存儲器上也能夠像在內(nèi)存中一樣動(dòng)態(tài)的開辟存儲空間來進(jìn)行使用，那將會帶來極大的方便。幸運(yùn)的是，TS101的編譯系統(tǒng)提供了這一功能，用戶只需要對系統(tǒng)提供的名為“ts_hdr.asm”的匯編文件和鏈接描述文件進(jìn)行修改并編譯“ts_hdr.asm” 文件，再用生成的“ts_hdr.doj”文件代替鏈接描述文件中的“ts_hdr_TS101”即可。 以下將對文件的修改過程做簡要的介紹。下面是TS101鏈接描述文件中對于默認(rèn)堆區(qū)的描述，它定義了默認(rèn)堆區(qū)的基址和堆區(qū)的大小： 在“ts_hdr.asm i i匯編文件中可對默認(rèn)堆區(qū)進(jìn)行操作，它的主要功能是為默認(rèn)堆區(qū)規(guī)定ID號0，以便有新的堆區(qū)存在時(shí)方便使用。 ts_hdr.asm對默認(rèn)堆棧進(jìn)行編號的代碼： · var=1df_defheap_base； · var=1df_defheap_size； · var=0； 對鏈接描述文件和匯編文件進(jìn)行修改時(shí)，只需要在鏈接描述文件中對新的堆區(qū)進(jìn)行描述并在匯編文件中對其進(jìn)行編號即可。代碼如下： 對新的堆棧區(qū)進(jìn)行描述的代碼可開辟于外部存儲器之中（SDRAM）。并在新的堆棧中將其編號為1。按照以上步驟將文件修改完畢之后，用戶就可以在外部存儲區(qū)中動(dòng)態(tài)地使用內(nèi)存了。編譯器還為動(dòng)態(tài)內(nèi)存的開辟提供了一系列的庫函數(shù)。其具體程序還在內(nèi)部存儲器中的默認(rèn)堆區(qū)動(dòng)態(tài)開辟了大小為50的內(nèi)存[6（1）]，并在外部存儲區(qū)中動(dòng)態(tài)開辟了大小為256的內(nèi)存[6（2）]。其程序如下： int＊x，＊y； x=heap_malloc （0,50）； （1） y=heap_malloc （1，256）； （2） 5.2 內(nèi)存覆蓋 通過TS101可將數(shù)量極大的程序代碼放入外部存儲器中。每次通過DMA傳輸方式讀入少量的程序代碼到內(nèi)存來執(zhí)行，這樣既擴(kuò)展了內(nèi)存空間。又比將全部代碼放入外部存儲器節(jié)省時(shí)間，這種方式稱為內(nèi)存覆蓋（overlay）。內(nèi)存覆蓋是一種多對一的內(nèi)存映射技術(shù)，它可將多段代碼存儲在外部存儲器劃定的不同位置，但也可以在內(nèi)存中的同一位置運(yùn)行。代碼在外部存儲器的存儲區(qū)稱為“l(fā)ive”區(qū)，在內(nèi)存中的運(yùn)行區(qū)稱為“run”區(qū)。 圖2所示是overlay的使用結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，在外部存儲器中，overlay1和overlay2可在內(nèi)存中的同一區(qū)域中運(yùn)行，而overlay3和overlay4也可以在內(nèi)存的同一區(qū)域中運(yùn)行。當(dāng)主函數(shù)調(diào)用FUNC_B時(shí)，overlay2將被換入內(nèi)存中運(yùn)行，而當(dāng)主函數(shù)調(diào)用FUNC_A 時(shí)，再用overlay1置換over-lay2，overlay3和overlay4的使用與overlay1和over-lay2相同。代碼在內(nèi)存與外存之間的置換主要通過DMA傳輸來實(shí)現(xiàn)。 內(nèi)存覆蓋管理器是用戶編寫的用來將函數(shù)或數(shù)據(jù)載入內(nèi)存的子程序，它們與鏈接器提供的PLIT｛｝指令配合使用可完成內(nèi)存覆蓋操作。內(nèi)存覆蓋管理器除了負(fù)責(zé)由外部存儲器向內(nèi)存的載入操作外，還應(yīng)當(dāng)負(fù)責(zé)建立堆棧保存寄存器的值，檢查需要調(diào)用的函數(shù)是否已經(jīng)在內(nèi)存之中，以及利用DMA操作在其它函數(shù)執(zhí)行時(shí)運(yùn)行內(nèi)存覆蓋載入。 通過鏈接描述文件可對內(nèi)存覆蓋進(jìn)行輔助操作。此操作需定義OVLY_one和OVLY_two兩塊overlay代碼，其中 OVLY_one包含函數(shù)FUNC_A.doj，而OVLY_two包含F(xiàn)UNC_B.doj和FUNC_C.doj，它們共同在MOCode的同一內(nèi)存區(qū)域運(yùn)行。在鏈接描述文件中對 overlay進(jìn)行操作的程序代碼如下： 在鏈接描述文件中，還可以通過定義PLIT｛｝指令來協(xié)助內(nèi)存覆蓋操作的完成。當(dāng)主函數(shù)調(diào)用一個(gè)內(nèi)存覆蓋區(qū)的函數(shù)時(shí)，鏈接器將重新引導(dǎo)函數(shù)調(diào)用并進(jìn)行操作。例如當(dāng)主函數(shù)調(diào)用了內(nèi)存覆蓋函數(shù)FUNC_A時(shí)，鏈接器會將其自動(dòng)轉(zhuǎn)化為調(diào)用.plt_FUNC_A操作。此操作在函數(shù)執(zhí)行之前先進(jìn)行PLIT操作，并跳轉(zhuǎn)到overlay管理器中執(zhí)行，然后再執(zhí)行函數(shù)A。下面是對PLIT進(jìn)行操作的定義代碼： 5.3 內(nèi)存擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn) 操作系統(tǒng)提供了OS_Process_Sched（）函數(shù)來完成這一操作，該函數(shù)中的進(jìn)程切換函數(shù)順序代碼如下： （1） 將處于在內(nèi)存中的進(jìn)程的寄存器值壓入堆棧； （2） 將處于內(nèi)存中的進(jìn)程的全部存儲區(qū)內(nèi)容由DMA方式放入外存： （3） 調(diào)用在外存中的進(jìn)程的寄存器出棧函數(shù)； （4） 跳轉(zhuǎn)到新的進(jìn)程運(yùn)行。 在進(jìn)程調(diào)度中，一般首先將所有寄存器值壓入當(dāng)前進(jìn)程堆棧中進(jìn)行保存[順序代碼（1）]，然后將內(nèi)存進(jìn)程存儲區(qū)中的所有內(nèi)容放入外部存儲器中保存，以便當(dāng)該進(jìn)程重新進(jìn)入內(nèi)存運(yùn)行時(shí)能夠完全恢復(fù)原有運(yùn)行環(huán)境[順序代碼（2）]。這里的所有內(nèi)容是指與當(dāng)前進(jìn)程有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括進(jìn)程的堆棧、進(jìn)程的全局變量、進(jìn)程動(dòng)態(tài)申請的內(nèi)存塊等等。調(diào)用外部存儲器中的進(jìn)程寄存器出棧函數(shù)[順序代碼（3）] 主要是利用前面所述的內(nèi)存覆蓋技術(shù)來進(jìn)行的，該寄存器的出棧函數(shù)一般放在外部存儲器中，操作時(shí)可通過調(diào)用它使鏈接器跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存覆蓋管理器來完成外部存儲器進(jìn)程向內(nèi)存的加載。但在這里要對內(nèi)存覆蓋管理器進(jìn)行修改，并添加外部存儲器中進(jìn)程的全部數(shù)據(jù)的載入函數(shù)，然后，程序才能跳轉(zhuǎn)到新的進(jìn)程中開始運(yùn)行[順序代碼（4）]。 6 結(jié)束語 本文在對嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，完成了基于TS101DSP芯片的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要參考的是開放源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC／OS_II，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)芯片本身的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用的需要進(jìn)行了創(chuàng)新和重設(shè)計(jì)，這主要體現(xiàn)在以下三方面： （1） 結(jié)合TS101芯片的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了中斷處理部分的設(shè)計(jì)； （2） 放棄了一般操作系統(tǒng)對內(nèi)存采取每一任務(wù)分配一塊內(nèi)存的方法，而是采用對內(nèi)存進(jìn)行分塊管理，并采取所有任務(wù)公用同一塊內(nèi)存。對同一內(nèi)存統(tǒng)一管理的方式； （3） 根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要研究，并實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存覆蓋技術(shù)，擴(kuò)展了系統(tǒng)的存儲空間。 當(dāng)然，任何嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都有一個(gè)簡單到詳細(xì)的過程，需要逐步完善。本文只是完成了TS101嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基本功能的實(shí)現(xiàn)。相信經(jīng)過長期的實(shí)際模擬運(yùn)行，定能建立起功能更加完善、結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固可靠的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。