為FPGA軟處理器選擇操作系統(tǒng)

在本文中，我們研究了選擇嵌入式操作系統(tǒng)的各種方案，并且針對嵌入式和實(shí)時操作系統(tǒng)，討論一些選擇標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)調(diào)由可編程邏輯解決方案引入的設(shè)計(jì)折衷。闡述了一個典型實(shí)例，這里我們以在萊迪思半導(dǎo)體公司的FPGA 上運(yùn)行的LatticeMico32軟處理器設(shè)計(jì)為例提供一個典型方案的討論。
　
引言

操作系統(tǒng)能夠提高可移植性，并提供多種經(jīng)過測試的抽象層，服務(wù)層和應(yīng)用模塊層以供選擇，從而加快產(chǎn)品上市時間并減少應(yīng)用程序出錯的可能性。然而，選擇一個嵌入式操作系統(tǒng)( OS )從來就不是一個簡單的過程，因?yàn)榧汕度胧杰浖姆绞竭x擇余地很大，你可以完全都由自己來編寫，或通過商業(yè)定制專門實(shí)時操作系統(tǒng)，也可以直接購買通用操作系統(tǒng)不作任何修改，現(xiàn)成的通用操作系統(tǒng)。FPGA性能的提高和軟處理器核的出現(xiàn)，直接導(dǎo)致了可編程邏輯SoC解決方案的產(chǎn)生，隨著這一變化，關(guān)于選擇標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)方案以及折中考慮等傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)也需要與時俱進(jìn)以適應(yīng)這些新的開發(fā)方式。

在本文中，我們研究了選擇嵌入式操作系統(tǒng)的各種方案，并且針對嵌入式和實(shí)時操作系統(tǒng)，討論一些選擇標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)調(diào)由可編程邏輯解決方案引入的設(shè)計(jì)折衷。闡述了一個典型實(shí)例，這里我們以在萊迪思半導(dǎo)體公司的FPGA 上運(yùn)行的LatticeMico32軟處理器設(shè)計(jì)為例提供一個典型方案的討論。

傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)

根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，一個操作系統(tǒng)的選擇有四個主要方式。

無操作系統(tǒng)

許多簡單的嵌入式系統(tǒng)不需要操作系統(tǒng)。該代碼通常始于設(shè)立堆棧指針和初始化幾個時鐘和外設(shè)寄存器。然后，該代碼進(jìn)入主循環(huán)(也稱為超級循環(huán)) ，以執(zhí)行產(chǎn)品的功能。編寫中斷服務(wù)程序( ISR)用以處理異步事件，以提供一些響應(yīng)而不是輪詢設(shè)備方式來進(jìn)行服務(wù)。 ISR的響應(yīng)通常是在0到10微秒的范圍。如果 處理器速度 足夠 快，以及超級循環(huán)是小而緊湊的，這是一個完全可行的選擇。然而，如果進(jìn)行更復(fù)雜的操作，如執(zhí)行控制循環(huán)，提供圖形顯示服務(wù)，使用文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)堆棧( TCP / IP協(xié)議或其他)，超級循環(huán)將無法正常工作。如果考慮一個 快速和 功能強(qiáng)大的 處理器， 如開放源 代碼LatticeMico32軟處理器， 應(yīng)該選擇一個操作系統(tǒng)。

自己編寫操作系統(tǒng)

對于一些特定需求，現(xiàn)有的解決方案無法滿足需要，或者現(xiàn)有的解決方案成本太高，通常就需要考慮自己編寫操作系統(tǒng)。自己編寫RTOS (實(shí)時操作系統(tǒng))通常不是一個好的選擇，因?yàn)榭偸菄?yán)重低估所需付出的努力。一個簡單的“tasker”要寫幾天或幾周，但更艱巨的挑戰(zhàn)是需要對實(shí)現(xiàn)魯棒性商業(yè)產(chǎn)品的努力。例如，一個商業(yè)的RTOS ，如μC/OS-II可能包含超過10000行的代碼，已經(jīng)在各種各樣的產(chǎn)品中得到了現(xiàn)場驗(yàn)證，并可能已被認(rèn)證應(yīng)用于，如電子和醫(yī)療產(chǎn)品等。如果選擇你自己編寫，誰將確保長期維護(hù)，并且完成詳細(xì)的文檔?

從商業(yè)的觀點(diǎn)來看，自己編寫的RTOS不是一個好的選擇。

商業(yè)RTOS

實(shí)時操作系統(tǒng)是一個管理微控制器，微處理器或DSP時間的軟件。最重要的一個特點(diǎn)是它對實(shí)時事件的響應(yīng)，通常不到25微秒。這種響應(yīng)通常是確定性，在某些情況下，甚至相當(dāng)穩(wěn)定。一個實(shí)時操作系統(tǒng)以應(yīng)用編程接口( API )的形式為應(yīng)用程序員提供了許多“服務(wù)”。當(dāng)選擇一個實(shí)時操作系統(tǒng)時，從技術(shù)和業(yè)務(wù)問題方面考慮會有數(shù)十種選擇。

技術(shù)問題可以大致分類為：

* RTOS對應(yīng)用作出的響應(yīng)夠嗎?

* 實(shí)時操作系統(tǒng)提供了所需的功能嗎?大多數(shù)實(shí)時操作系統(tǒng)提供相同的基本功能：任務(wù)管理，時間管理，信號量，消息隊(duì)列，事件標(biāo)志等。

* RTOS可以實(shí)時用于不同的CPU (即代碼可以移植嗎)嗎 ?一個 實(shí)時操作系統(tǒng)，如μC/OS-II已移植到超過45種不同CPU 架構(gòu)， 所以在這種 情況下，可移植性不會成為問題，產(chǎn)品和其一部分的長壽性是得到保證的。如果使用一個新的架構(gòu)，移植 到一個 CPU通常需要一兩個星期。

* 使用RTOS是否有足夠的ROM和RAM?根據(jù)所需的特性RTOS的空間可以減少嗎?例如，μC/OS-II是可以升級的，代碼 空間的要求在6千字節(jié)到24 千字節(jié)的之間，最低只需要500字節(jié)的RAM 。

從商業(yè)角度，事情并非那么容易解決。具體來說，嵌入式開發(fā)者需要從操作系統(tǒng)供應(yīng)商那里得到滿意答復(fù)，了解價格結(jié)構(gòu)，支持結(jié)構(gòu)和供應(yīng)商的聲譽(yù)和穩(wěn)定性。尋找一個ROTS操作系統(tǒng)或RTOS的供應(yīng)商時，調(diào)查通常是一個好的開端。

當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)速度是最重要時，如控制和監(jiān)測應(yīng)用程序，就會選擇商業(yè)的RTOS，因?yàn)樗鼈兒芤蕾囉谲浖膱?zhí)行功能。如果你可以選擇用硬件實(shí)現(xiàn)時間至關(guān)重要的功能，通常就不需要由RTOS提供嚴(yán)格的時間保證。

UNIX操作系統(tǒng)

在過去幾年中，嵌入式應(yīng)用中采用的32位處理器平臺的性能和功能得到了極大增強(qiáng)。今天，即使軟處理器，如LatticeMico32提供達(dá)到50至100 DMIPS的計(jì)算能力。隨著可用資源的性能和功能的增強(qiáng)，提供豐富的功能集和抽象層的操作系統(tǒng)已成為一種可行的可選嵌入式解決方案。UNIX提供了非常豐富的編程環(huán)境，對多處理器的應(yīng)用有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，以及在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方面擁有豐富的歷史。通過文件操作，它提供了一個統(tǒng)一的設(shè)備抽象層，使平臺之間的應(yīng)用可以快速移植。一些UNIX版本也可獲取開放源代碼授權(quán)：Linux是最著名的變種，有非常龐大的用戶群體和許多嵌入式應(yīng)用(如WLAN路由器，打印機(jī)，VoIP電話)。Linux系統(tǒng)甚至對不包括MMU (內(nèi)存管理單元)的處理器提供了有限的支持。各種BSD (伯克利軟件分發(fā))版本可能不太為人所知，但它們在許可證上限制較少。

一些實(shí)時擴(kuò)展為Linux提供了在Linux執(zhí)行層的頂部(或者說，下面)的最佳的軟實(shí)時層。RT/ Linux、 RTAI和Xenomai是實(shí)時擴(kuò)展的例子。通過多種已知的API從其他的RTOS (在Xenomai，此功能被稱為“skins”)，一些實(shí)時層輸出其功能 。

Linux系統(tǒng)提供了豐富的應(yīng)用，可以很容易地集成到一個嵌入式應(yīng)用程序，如Web服務(wù)器，協(xié)議棧，數(shù)據(jù)庫引擎，圖形庫和網(wǎng)絡(luò)管理。這些功能可以添加到任何嵌入式應(yīng)用，而不需要“從草圖”開發(fā)。隨著Linux的先進(jìn)I/O子系統(tǒng)的出現(xiàn)，和全面支持的非易失存儲技術(shù)(從閃存到SATA硬盤) ，甚至可以集成“大”的應(yīng)用(如在NAS應(yīng)用中，跟蹤照片的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用)。

廣泛使用的操作系統(tǒng)技術(shù)，例如Linux，其中一個最大的好處是在互聯(lián)網(wǎng)上可獲取大量的可用信息，有許多專業(yè)設(shè)計(jì)公司可以提供專業(yè)服務(wù)。雖然源代碼的許可證是免費(fèi)的，Linux的復(fù)雜性和大小會壓垮許多用戶。在這種情況下，專門設(shè)計(jì)公司，如Theobroma Systems可提供專業(yè)支持，培訓(xùn)和總承包設(shè)計(jì)服務(wù)。重要的是要記住，“開放源代碼組織”并不能給你提供工業(yè)質(zhì)量的支持，只有有經(jīng)驗(yàn)的工程人員才行。

使用FPGA解決方案時，有與大型操作系統(tǒng)如Linux相關(guān)的性能和響應(yīng)時間方面的問題，可以用硬件實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，操作系統(tǒng)功能作為一種資源監(jiān)管，大部分關(guān)鍵時間工作用硬件來完成。這個方法的一個例子是在UART內(nèi)利用一個大的FIFO，以減少至操作系統(tǒng) 的中斷次數(shù)。當(dāng)然，此方法有一定的局限性和復(fù)雜性，但與一個專用的CPU芯片相比，有更多的靈活性。

另一方案：使用可編程邏輯

FPGA為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了一系列的權(quán)衡選擇，這是現(xiàn)有的ASIC/ASSP解決方案無法提供的。正如圖1所示 ，當(dāng)一個處理器集成至FPGA時，設(shè)計(jì)者可以各種方式實(shí)現(xiàn)功能例如：

* 軟件控制硬件

* 僅軟件

* 軟件功能，控制或數(shù)據(jù)流，通過硬件加速(SW/HW)

* 僅硬件，與CPU沒有直接的互動，但是硬件可與任何功能進(jìn)行交互。

圖1 FPGA中的多種選擇

使用提供這些權(quán)衡的可編程邏輯解決方案，SoC設(shè)計(jì)者有控制結(jié)構(gòu)的多種選擇。相反，控制結(jié)構(gòu)的選擇涉及到如何實(shí)現(xiàn)所需的功能。

一個簡單的便攜式媒體播放器示范了操作系統(tǒng)如何控制硬件，以及如何使用一個FPGA提供一系列改善硬件/軟件的權(quán)衡選擇。圖2從硬件的角度展示了播放器的功能。所需硬件的數(shù)量在很大程度上取決于所期望的系統(tǒng)響應(yīng)。有了RTOS，許多硬件模塊可以比在Linux應(yīng)用中簡單得多?？偠灾?，F(xiàn)PGA的可編程邏輯為任何操作系統(tǒng)提供硬件權(quán)衡選擇。

圖2 從硬件角度觀察便攜式媒體播放器

設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)中用什么附加硬件，和如何用附加硬件有更多的靈活性，這可以從軟件的角度來觀察，如圖3所示。

一個鍵盤掃描器或許可以作為RTOS任務(wù)來執(zhí)行，也作為硬件通過Linux任務(wù)來訪問。事實(shí)上，用硬件實(shí)現(xiàn)的鍵盤掃描器在系統(tǒng)中是隱藏的，因?yàn)樗话b在一個任務(wù)中。其優(yōu)點(diǎn)是大大減少了對操作系統(tǒng)的中斷。輕松地權(quán)衡添加硬件或者使用軟件為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師帶來了一種新的靈活性。

圖3 從軟件角度觀察相同的便攜式媒體播放器

與FPGA相關(guān)的操作系統(tǒng)選擇

基于FPGA的應(yīng)用引入了一個將時間緊迫任務(wù)用硬件實(shí)現(xiàn)的重要方法，使選擇操作系統(tǒng)在時間約束方面得到緩解，參見圖4。這張圖顯示了本文中討論過的各種選擇的響應(yīng)范圍。因?yàn)樗强删幊踢壿?，F(xiàn)PGA為設(shè)計(jì)者提供了精細(xì)的增量控制執(zhí)行。因?yàn)樗怯布?，它對?shí)時事件的響應(yīng)極快。如圖所示，該響應(yīng)可用于擴(kuò)大服務(wù)范圍，甚至更大的操作系統(tǒng)。

圖4 響應(yīng)范圍

結(jié)論

用可編程邏輯的SoC平臺的設(shè)計(jì)，如FPGA芯片里的LatticeMico32，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了難得的機(jī)會，因?yàn)樗麄兛梢赃x擇自己喜歡的硬件支持和輕載功能。這使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通過轉(zhuǎn)移軟件到FPGA中執(zhí)行數(shù)據(jù)路徑，來滿足時間上的限制。這一做法改變了對操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)選擇判據(jù)，使得在實(shí)時操作系統(tǒng)和通用操作系統(tǒng)解決方案之間有更靈活的選擇。雖然商業(yè)實(shí)時操作系統(tǒng)在確定中斷響應(yīng)方面仍然有其優(yōu)勢，但通過使用FPGA中實(shí)現(xiàn)的減負(fù)引擎后，通用操作系統(tǒng)的解決方案(如Linux )可能成為適合于較大的應(yīng)用領(lǐng)域?！败泴?shí)時”的解決方案，如RT Linux或Xenomai，這時就顯得不那么理想了，因?yàn)槭褂脺p負(fù)引擎可以提供更好的響應(yīng)而沒有額外的工程費(fèi)用。