介紹一種實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS

德州儀器新推出的DSPC6400系列最高運行時鐘可以達到1.1GHz，運算能力可以達到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?！　≡赪indows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，馬達損毀等災難性的結(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)?！　SP/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。
2　LOG
　　在開發(fā)的時候通常需要使用printf()來顯示當前狀態(tài)。但是printf()是非常花費時間的函數(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　?。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。[!--empirenews.page--]
3　　STS
　　對一個軟件進行分析優(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?！　∮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：
　　/*　　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　　＝＝＝＝＝＝＝＝
　　*/
　　void　　main()
　　{

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

　　void　　func_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中硬件中斷主要負責從外部設(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。[!--empirenews.page--]

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。考慮到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。
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例5　　PIP對應(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簡單統(tǒng)一接口而不必關(guān)心具體的硬件操作，因此當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。

7　RTDX
　　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，而需要從主機中實時地讀取數(shù)據(jù)或者向主機實時地輸出數(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。
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RTDX在主機端可以與任何符合OLE接口的應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。例7是一個使用RTDX在主機和DSP之間進行數(shù)據(jù)傳遞的例子。主機端是一個基于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DSP的應(yīng)用環(huán)境，通過一系列的對象模塊向開發(fā)者提供了一個實用優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)。它可以幫助用戶提高軟件的模塊化、并行性和維護性等，有利于降低系統(tǒng)成本和縮短開發(fā)周期。同時由于它是免費的，可以預計DSP/BIOS將對DSP技術(shù)在中國的推廣使用起到積極的推動作用。