介紹一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS

德州儀器新推出的DSPC6400系列最高運(yùn)行時(shí)鐘可以達(dá)到1.1GHz，運(yùn)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(shì)，對(duì)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(shí)現(xiàn)的功能軟件化，原來由多個(gè)DSP完成的工作由一塊DSP完成，DSP要能夠同時(shí)完成多個(gè)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(jí)，要求軟件盡可能地模塊化，使用高級(jí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。以往直接將應(yīng)用程序運(yùn)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(yàn)，為開發(fā)者量身定做的一個(gè)優(yōu)秀軟件平臺(tái)?！　「少F的是該操作系統(tǒng)是免費(fèi)的，這為眾多的中小用戶使用DSP打開了方便之門。
1　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
　　簡(jiǎn)單地說，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了一種機(jī)制，使得運(yùn)行于其上的應(yīng)用程序都能夠滿足實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)系統(tǒng)中是絕對(duì)不允許的。因?yàn)檫@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(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，運(yùn)行于德州儀器C5000，C6000系列的DSP之上的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?！　SP/BIOS實(shí)際上是一個(gè)可調(diào)用的系統(tǒng)模塊API的集合。以下就各個(gè)模塊分別加以介紹。
2　LOG
　　在開發(fā)的時(shí)候通常需要使用printf()來顯示當(dāng)前狀態(tài)。但是printf()是非?；ㄙM(fèi)時(shí)間的函數(shù)、而且不具有實(shí)時(shí)性。因?yàn)镈SP需要對(duì)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(gè)實(shí)時(shí)性要求很高的應(yīng)用中，對(duì)printf()的調(diào)用可能會(huì)使系統(tǒng)根本無法滿足實(shí)時(shí)要求。在DSP/BIOS中引入了一個(gè)相應(yīng)的函數(shù)LOG_printf()。該函數(shù)是LOG對(duì)象的一個(gè)方法(或調(diào)用函數(shù)〕。LOG對(duì)象本質(zhì)上是一個(gè)32bit的整形數(shù)，其高低16bit分別代表要顯示的兩個(gè)數(shù)據(jù)。例1是分別使用printf()和LOG_printf()作比較的示范程序:
　　#include　?。約tdio.h＞　　
　　/*　　Header　　files　　needed　　for　　DSP　　BIOS　　*/
　　#include　?。約td.h＞
　　#include　?。糽og.h＞

　　/*　　functions　　*/
　　void　　func_printf();
　　void　　func_LOG_printf();
　　
　　/*　　Objects　　created　　by　　the　　Configuration　　Tool　　*/
　　extern　　LOG_Obj　　logTrace;
　　/*
　　*＝＝＝＝＝＝＝＝　　main　?。剑剑剑剑剑剑剑?br />　　*/
　　void　　main　　()
　　{
　　return;
　　}

　　void　　func_printf(int　　time)
　　{
　　printf(″Strart　　printf　　demon″);　
　　printf(″Current　　time＝%d　　n″　　、　　time);
　　printf(″End　　printf　　demon″);
　　return;
　　}

　　void　　func_LOG_printf(int　　time)
　　{
　　LOG_printf(&logTrace、″Strart　　LOG_printf　　demon″);
　　LOG_printf(&logTrace、　　　　″Current　　time＝%d　　n″　　、　　time);
　　LOG_printf(&logTrace、　　″End　　LOG_printf　　demon″);
　　return;
　　}
　　func_printf()和func_LOG_printf()由DSP內(nèi)時(shí)鐘控制每100ms周期性地分別調(diào)用一次。通過對(duì)printf()和LOG_printf()運(yùn)行時(shí)間作比較發(fā)現(xiàn)，在C6211運(yùn)行在150MHz的情況下，printf()需花費(fèi)4000個(gè)周期約26.7μs，LOG_printf()只花費(fèi)36個(gè)周期約0.24μs。printf()比LOG_printf()多開銷100倍以上的時(shí)間，因此LOG_printf()對(duì)于實(shí)時(shí)地顯示一些運(yùn)行狀態(tài)是非常有幫助的。而且對(duì)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。[!--empirenews.page--]
3　　STS
　　對(duì)一個(gè)軟件進(jìn)行分析優(yōu)化時(shí)，通常會(huì)用到profile的功能。但是在實(shí)時(shí)運(yùn)行的DSP的環(huán)境中使用profile等效于加入了多個(gè)程序斷點(diǎn)?！　∮捎诂F(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(yùn)算能力，如德州儀器的C6000系列的流水線長度為12級(jí)，程序斷點(diǎn)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(yùn)行環(huán)境。同時(shí)profile還必須調(diào)用輸出模塊向主機(jī)傳遞時(shí)間信息。因此在profile的情況下真正的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境是沒有辦法得到保護(hù)的。DSP/BIOS針對(duì)這種情況引入了一個(gè)統(tǒng)計(jì)模塊STS。STS對(duì)象只有4個(gè)數(shù)據(jù)Previous、Count、Total和Max。調(diào)用的方法(API)也只有4個(gè)，即STS_add()、　　STS_set()、　　STS_delta()和STS_reset()。這些API對(duì)數(shù)據(jù)的操作功能如表1所示。

如果要對(duì)某一段程序進(jìn)行分析時(shí)，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(cè)試程序段執(zhí)行周期如下：
　　/*　　Header　　files　　needed　　for　　DSP　　BIOS　　*/
　　#include　?。約ts.h＞
　　#include　　＜clk.h＞

　　/*　　functions　　*/
　　void　　func_load();

　　/*　　Objects　　created　　by　　the　　Configuration　　Tool　　*/
　　extern　　STS_Obj　　stsLoad;

　　/*
　　*　?。剑剑剑剑剑剑剑健　ain　?。剑剑剑剑剑剑剑?br />　　*/
　　void　　main()
　　{

　　/*　　fall　　into　　DSP/BIOS　　idle　　loop　　*/
　　 return;
　　}

　　void　　func_load()
　　{
　　STS_set(&stsPrintf、　　CLK_gethtime());

　　/*　　測(cè)試程序段　　　　*/
　　...
　　STS_delta(&stsPrintf、　　CLK_gethtime());
　　}
　　func_load()為一個(gè)中斷服務(wù)程序(ISR)。在C6211，150MHz的情況下，僅插入33個(gè)周期，約0.22μs。
4　　任務(wù)調(diào)度(HWI/SWI/TSK)
　　一個(gè)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(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)的。這三個(gè)模塊分別對(duì)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(duì)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(duì)地調(diào)用_HWI_enter()和_HWI_exit()這兩個(gè)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(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)優(yōu)先級(jí)可以有多個(gè)任務(wù)。SWI任務(wù)是搶斷式的，即高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以搶斷低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。但是SWI任務(wù)是不可阻塞的。它的運(yùn)行狀態(tài)如圖1所示。[!--empirenews.page--]

所有SWI任務(wù)共享一個(gè)堆棧，SWI任務(wù)只能在程序編制時(shí)預(yù)先定義好。DSP/BIOS中對(duì)任務(wù)的動(dòng)態(tài)產(chǎn)生和對(duì)阻塞狀態(tài)的支持是通過TSK模塊來實(shí)現(xiàn)的。TSK有15個(gè)優(yōu)先級(jí)，也是可以搶斷的，但是每個(gè)TSK任務(wù)使用獨(dú)立的堆棧。TSK任務(wù)是通過TSK_create()和TSK_delete()來動(dòng)態(tài)生成和結(jié)束的。它的運(yùn)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(gè)任務(wù)之間的協(xié)調(diào)同步工作可以通過多種方法來實(shí)現(xiàn)。常用方法如信號(hào)量、原子量、隊(duì)列和郵箱等。在DSP/BIOS中對(duì)這些方法的支持分別通過模塊SEM、ATM、QUE和MBX來實(shí)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(jiǎn)單地說明。每個(gè)SWI任務(wù)都帶有一個(gè)Mailbox，對(duì)它的操作可以是計(jì)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(shí)引起SWI任務(wù)的調(diào)度。當(dāng)一個(gè)SWI任務(wù)可能由多個(gè)事件觸發(fā)時(shí)，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(gè)SWI任務(wù)需要多個(gè)條件都滿足時(shí)才運(yùn)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(shí)SWI任務(wù)調(diào)度：

inc和dec操作則更加靈活，用戶可以借此實(shí)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(shí)才引起一次任務(wù)調(diào)度。
6　　通訊(PIP/SIO/HST)
　　一個(gè)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(gè)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(jí)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(shí)，保持接口的一致性對(duì)于一個(gè)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(duì)象PIP和　　SIO。
　　PIP對(duì)象包含一個(gè)緩沖隊(duì)列，與之對(duì)應(yīng)的有兩個(gè)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(gè)PIP對(duì)象對(duì)應(yīng)的讀任務(wù)和寫任務(wù)的示范程序。
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例5　　PIP對(duì)應(yīng)的讀任務(wù):
　　extern　　far　　PIP_Obj　　pip;
　　reader()
　　{
　　Uns　　size;
　　Ptr　　addr;
　　if(PIP_getReaderNumFrames(&pip)＞0)
　　{
　　PIP_get(&pip);
　　addr＝PIP_getReaderAddr(&pip);
　　size＝PIP_getReaderSize(&pip);

　　/*Code　　to　　empty　　the　　frame*/
　　PIP_free(&pip);
　　}
　　else{
　　LOG_error(″no　　frames　　available″);
　　/*　　or　　you　　could　　just　　return;*/
　　}
　　}
　　例6　　PIP對(duì)應(yīng)的寫任務(wù)：
　　extern　　far　　PIP_Obj　　pip;
　　writer()
　　{
　　Uns　　size;
　　Ptr　　addr;
　　if(PIP_getWriterNumFrames(&pip)＞0){
　　　PIP_alloc(&pip);
　　　addr＝PIP_getWriterAddr(&pip);
　　　size＝PIP_getWriterSize(&pip);
　　　/*　　fill　　the　　frame　　up　　to　　size　　*/
　　　PIP_put(&pip);
　　}
　　else{
　　　LOG_error(″no　　frames　　available″);
　　　/*　　or　　you　　could　　just　　return;*/
　　}
　　}
　　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(gè)簡(jiǎn)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(shí)，至多只需要改寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。使用PIP的一個(gè)具體實(shí)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(gè)PIP對(duì)象。對(duì)HST的操作方式與PIP一致。其差別僅僅在于HST在初始化時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)拷貝的過程。這在某些應(yīng)用中，如實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP時(shí)，不是非常有效。因?yàn)閿?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(shí)現(xiàn)就會(huì)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(duì)列。每次get()　　或　　put()　　操作時(shí)都會(huì)在應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間交換緩沖的指針。所以SIO操作的實(shí)質(zhì)是數(shù)據(jù)地址的交換。由于沒有數(shù)據(jù)拷貝，其運(yùn)行效率就很高。SIO的運(yùn)行邏輯如圖4所示。

7　RTDX
　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換Real－Time－Data－eXhange是DSP/BIOS提供的一個(gè)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(shí)時(shí)地讀取數(shù)據(jù)或者向主機(jī)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。
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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(gè)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(gè)基于VB的小程序。
　　例7　　DSP程序：
　　#include＜rtdx.h＞
　　RTDX_CreateInputChannel(writeload);
　　RTDX_CreateOutputChannel(readload);

　　int　　main()
　　{
　　RTDX_enableInput(&writeload);
　　RTDX_enableOutput(&readload);
　　return;
　　}

　　void　　doExchange()
　　{
　　if(!RTDX_channelBusy(&writeload)){
　　RTDX_readNB(&writeload、&loadVoal、sizeof(load－Val));
　　}
　　RTDX_write(&readload、&loadVal、sizeof(loadVal));
　　}
　　使用VB編制的主機(jī)端程序
　　set　　r＝CreateObject(“RTDX”)
　　status＝r.open(“readload”、“R”)
　　set　　w＝CreateObject(“RTDX”)
　　status＝w.open(“writeload”、“W”)
　　status＝r.ReadI4(data)
　　status＝w.WriteI4(value、bufferstate)
　　綜上所述，DSP/BIOS針對(duì)DSP的應(yīng)用環(huán)境，通過一系列的對(duì)象模塊向開發(fā)者提供了一個(gè)實(shí)用優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它可以幫助用戶提高軟件的模塊化、并行性和維護(hù)性等，有利于降低系統(tǒng)成本和縮短開發(fā)周期。同時(shí)由于它是免費(fèi)的，可以預(yù)計(jì)DSP/BIOS將對(duì)DSP技術(shù)在中國的推廣使用起到積極的推動(dòng)作用。