UCOS-II 操作系統(tǒng)在數(shù)碼相框中的應(yīng)用

     摘要：傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中廣泛采用單任務(wù)順序機制，它帶來的重要問題是編程復(fù)雜，同時系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。為此，引入了UCOS-II實時操作系統(tǒng)來對多任務(wù)進行管理與調(diào)度，實踐證明該系統(tǒng)對多任務(wù)的管理和調(diào)度有著卓越的性能和穩(wěn)定性。本文成功將該系統(tǒng)運用于數(shù)碼相框系統(tǒng)，詳細描述了UCOS-II操作系統(tǒng)在ZEVIO1020雙核處理器的移植過程，并且對于多任務(wù)的調(diào)度處理，設(shè)計了基于兩級狀態(tài)機的通信機制，解決了多任務(wù)之間消息處理復(fù)雜性的問題，最后給出了系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。

　　1、引言

　　近年來，隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電子產(chǎn)品層出不窮，對于那些具有眾多功能，但按鍵數(shù)目無法滿足要求的設(shè)備來說，選擇一個好的操作系統(tǒng)和設(shè)計一套合理的消息處理機制，已經(jīng)成為研發(fā)人員研究的一個課題。本文以此為背景，研究了UCOS-II操作系統(tǒng)在數(shù)碼相框中的應(yīng)用，詳細描述了UCOS-II操作系統(tǒng)在ZEVIO1020雙核處理器上的移植，并且根據(jù)數(shù)碼相框多任務(wù)的特點，設(shè)計了一套完整的消息處理機制。實踐證明，采取本文所設(shè)計的系統(tǒng)可以靈活的完成任務(wù)間的調(diào)度和切換。

　　2、系統(tǒng)概述

　　數(shù)碼相框的主要特色是圖片顯示清晰，圖片顯示效果多種多樣，同時還具有視頻播放、音頻播放、JPEG圖片解碼等附加功能。在本系統(tǒng)實現(xiàn)過程中主要分為六個模塊:總控模塊、GUI界面模塊、圖片顯示模塊、視頻模塊、音頻模塊、JPEG解碼模塊。總控模塊實現(xiàn)對其它模塊的管理與控制。圖片顯示模塊通過ZEVIO1020雙核處理器的3D圖像內(nèi)核處理，實現(xiàn)多種三維的動態(tài)顯示效果，通過對定時器設(shè)置的改變，實現(xiàn)圖片播放速率的調(diào)整。視頻模塊和JPEG解碼模塊因為對速度的要求較高，使用高速數(shù)據(jù)傳輸通道DMA來實現(xiàn)ARM和DSP之間的雙核解碼。音頻模塊可以解碼MP3，WMA等多種音頻格式。UCOS-II操作系統(tǒng)的任務(wù)就是在不同狀態(tài)下，根據(jù)不同的鍵盤輸入消息實現(xiàn)各個模塊間的靈活調(diào)度。

　　3、基于ZEVIO1020的系統(tǒng)硬件平臺

　　ZEVIO1020多媒體應(yīng)用處理器是美國LSILogic公司發(fā)布的第一款基于ZEVIO架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)芯片。具備低功耗、更高級圖像和數(shù)字音/視頻處理功能。ZEVIO1020處理器高度集成，包括通用處理的ARM9內(nèi)核，多媒體處理的ZSP400內(nèi)核，此外還包括了一個3D圖像內(nèi)核和一個2D/3DMIDI聲音核，它也集成了一個視頻DAC(數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器)用于直接輸出到電視和一個SDIO(安全數(shù)字輸入/輸出)卡槽用于數(shù)據(jù)存儲或者額外的周邊擴展。

　　ZEVIO1020處理器的開發(fā)平臺如圖1所示，它的通用處理內(nèi)核ARM926EJ-S的工作主頻為150MHz，作為系統(tǒng)主處理器，可以完成控制和數(shù)據(jù)處理工作;ZSP400DSP處理器為視頻解碼和JPEG解碼工作提供了高效運行平臺，工作主頻為150MHz。除此之外，ZSP400具有雙MAC、雙算法邏輯單元(ALU)DSP核，每周期4指令，正交的載入/存儲指令集的特點。同時在ZEVIO1020的存儲結(jié)構(gòu)中，DMA提供了高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，能夠完成ARM處理器和DSP處理器雙核之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

圖1  ZEVIO1020平臺體系架構(gòu)[!--empirenews.page--]

　　4、UCOS-II在ZEVIO1020上的移植

　　UCOS-II操作系統(tǒng)是完全可剝奪型的實時內(nèi)核，可以同時管理64個任務(wù)，函數(shù)的調(diào)用和服務(wù)時間具有確定性。其內(nèi)核提供的任務(wù)調(diào)度與管理，時間管理，任務(wù)間同步與通信，內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。最小內(nèi)核編譯可以達到2KB。UCOS-II的移植主要是編寫和處理器有關(guān)的代碼，以及根據(jù)處理器設(shè)置中斷向量表，提供給操作系統(tǒng)一個時鐘作為系統(tǒng)時鐘。

　　OS_CPU_A.ASM是需要用戶根據(jù)不同處理器的體系結(jié)構(gòu)編寫的匯編文件。該文件包括了四個函數(shù):

　　OSStartHighRdy()、OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。OSStartHighRdy()的作用是運行就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先級最高的任務(wù)。OSCtxSw()是實現(xiàn)CPU在正常運行時任務(wù)間的切換，即對當(dāng)前任務(wù)堆棧的保存和對高優(yōu)先級任務(wù)堆棧的彈出，使最高優(yōu)先級任務(wù)獲取CPU的控制權(quán)。OSIntCtxSw()是在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行切換功能的函數(shù)。OSTickISR()是系統(tǒng)時鐘的中斷服務(wù)程序。該程序執(zhí)行的頻率為100HZ，主要功能是檢查是否有由于延時而被掛起的任務(wù)成為就緒任務(wù)，如果有就調(diào)用OSIntCtxSw()進行任務(wù)切換，從而運行高優(yōu)先級的任務(wù)。OS_CPU.C中主要編寫任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()。

　　中斷向量表是系統(tǒng)產(chǎn)生中斷處理的索引表，系統(tǒng)會根據(jù)不同的中斷類型引導(dǎo)它們進入不同的中斷處理函數(shù)。ZEVIO1020雙核處理器提供了多種不同類型的中斷處理，主要分為兩類:IRQ中斷和FIQ中斷。FIQ中斷是快速中斷處理函數(shù)，執(zhí)行速度快，優(yōu)先級高，一般用于重要和對實時性要求較高的中斷處理。IRQ中斷是普通的中斷處理函數(shù)，一般的中斷處理都歸屬于這種類型的中斷。在各種中斷同時觸發(fā)的情況下，中斷程序會根據(jù)各種中斷優(yōu)先級的設(shè)定來進行比較，執(zhí)行優(yōu)先級最高的中斷處理程序。對于UCOS-II的操作系統(tǒng)來說，需要一個系統(tǒng)時鐘作為操作系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍，供操作系統(tǒng)調(diào)用時間函數(shù)使用。ZEVIO1020有4個Timer可供選擇，在這里選用Timer1作為系統(tǒng)時鐘，設(shè)置系統(tǒng)時鐘頻率為100HZ且為FIQ中斷。中斷處理程序的實現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2中斷處理流程圖

　　5、軟件層的設(shè)計與實現(xiàn)

　　5.1、系統(tǒng)任務(wù)層的組成和優(yōu)先級的設(shè)計

　　系統(tǒng)任務(wù)層并行存在以下六個任務(wù):總控任務(wù)、音頻解碼任務(wù)、視頻解碼任務(wù)、JPEG圖片解碼任務(wù)、GUI界面任務(wù)，圖片顯示任務(wù)。每個任務(wù)均有以下三部分組成:應(yīng)用程序、任務(wù)的堆棧以及任務(wù)的狀態(tài)機。任務(wù)堆棧用以存儲CPU寄存器內(nèi)容。當(dāng)某任務(wù)由運行態(tài)變?yōu)槠渌麪顟B(tài)時，CPU寄存器內(nèi)容壓入相應(yīng)任務(wù)堆棧，反之則將相應(yīng)任務(wù)堆棧內(nèi)容置入CPU寄存器。任務(wù)的狀態(tài)機記錄了當(dāng)前任務(wù)的運行狀態(tài)，當(dāng)有新的消息轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)時，任務(wù)可根據(jù)狀態(tài)機查詢相應(yīng)的狀態(tài)，來決定下一步的具體操作。操作系統(tǒng)也可以查詢?nèi)蝿?wù)的狀態(tài)機來獲得當(dāng)前任務(wù)的運行狀態(tài)。

　　優(yōu)先級的設(shè)定是根據(jù)任務(wù)的重要性和任務(wù)的實時性需求來定的?？偪厝蝿?wù)優(yōu)先級最高，視頻任務(wù)的實時性大于音頻任務(wù)的實時性，所以將音頻的優(yōu)先級排在視頻解碼任務(wù)的后面。對于其他幾個任務(wù)一般沒有太多的約束，我們可以任意安排其優(yōu)先級。優(yōu)先級從高到底的順序排列:總控任務(wù)，視頻解碼任務(wù)，音頻解碼任務(wù)，JPEG解碼任務(wù)，圖片顯示任務(wù)，GUI界面任務(wù)。

　　5.2、系統(tǒng)任務(wù)間的消息通信機制與狀態(tài)機的設(shè)計

　　在數(shù)碼相框這個系統(tǒng)中，消息的類型主要有兩類:

　　一是外部輸入(鍵盤)轉(zhuǎn)化的消息;二是任務(wù)之間相互傳遞的消息。第一類消息不知道消息的接受方，直接交給總控任務(wù)來處理，總控任務(wù)通過查詢狀態(tài)機獲得各個任務(wù)目前的運行情況后，進行內(nèi)部消息的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)任務(wù)，由目標(biāo)任務(wù)來具體處理。目標(biāo)任務(wù)接受到總控任務(wù)傳送過來的內(nèi)部消息之后，查詢自身的狀態(tài)機，執(zhí)行相應(yīng)的處理。每個任務(wù)都有一個時間點來查詢新的消息。在音頻解碼任務(wù)中這個時間點設(shè)在解碼數(shù)據(jù)流后填充buffer和播放buffer互換的時刻。圖片顯示任務(wù)是一個不斷循環(huán)的顯示過程，利用每次循環(huán)結(jié)束的時刻查詢新的消息。第二類消息是任務(wù)之間相互傳遞的消息，任務(wù)知道消息的接受方。因此在兩個需要相互通信的任務(wù)之間直接建立消息郵箱和信號量進行同步和通信。

　　狀態(tài)機是記錄任務(wù)運行狀態(tài)的一種工具，對于數(shù)碼相框這個系統(tǒng)來說，在不同的運行狀況下對于相同按鍵的處理是不同的，所以必須通過狀態(tài)機來實現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度和處理。本文的狀態(tài)機實現(xiàn)采取分塊的思想，即一級一級從上往下對消息進行處理。上級的狀態(tài)機不需要對消息的內(nèi)容進行具體的處理，只要明確傳遞給下面的哪一個狀態(tài)機來具體處理。針對數(shù)碼相框這個產(chǎn)品，本文設(shè)計了兩級狀態(tài)機的實現(xiàn)機制。一級是總控任務(wù)的狀態(tài)機，二級是各個應(yīng)用程序的狀態(tài)機。總控任務(wù)的狀態(tài)機，主要用來對外部消息的轉(zhuǎn)發(fā);應(yīng)用程序的狀態(tài)機主要處理啟動，退出，暫停等具體操作。如圖3所示，總控任務(wù)查詢到有新的消息進來后，首先查詢當(dāng)前各個任務(wù)的運行情況，然后判別消息的內(nèi)容，將消息轉(zhuǎn)換成內(nèi)部消息分發(fā)給當(dāng)前任務(wù)或者即將運行的任務(wù)。應(yīng)用程序的任務(wù)狀態(tài)機接受到總控狀態(tài)機發(fā)送過來的內(nèi)部消息之后，也是查詢自身的狀態(tài)機，并且檢查消息的正確性，然后根據(jù)自身的運行狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作。具體如圖4所示。

圖3總控任務(wù)的狀態(tài)機流程[!--empirenews.page--]

圖4　應(yīng)用程序的狀態(tài)機流程圖

　　5.3、數(shù)碼相框系統(tǒng)的整體實現(xiàn)過程

　　系統(tǒng)上電后從flash中執(zhí)行boot.s啟動代碼，boot.s的主要作用就是初始化SDRAM，設(shè)置PLL，將保存在flash中的CODE拷貝到SDRAM中。因為flash中的數(shù)據(jù)可以永久保存，不會因為掉電而消失，而SDRAM則不行。

　　在主函數(shù)main中初始化UCOS-II操作系統(tǒng)，創(chuàng)建總控任務(wù)、視頻解碼任務(wù)、音頻解碼任務(wù)、圖片顯示任務(wù)、GUI界面任務(wù)，同時創(chuàng)建信號量和mailbox等系統(tǒng)資源等待應(yīng)用程序調(diào)用，啟動UCOS-II操作系統(tǒng)。此后CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)將CPU的控制權(quán)首先給予優(yōu)先級最高的總控任務(wù)。

　　總控任務(wù)運行后，驅(qū)動所有外接設(shè)備，包括LCD驅(qū)動、SPU驅(qū)動、GUI驅(qū)動、Timer驅(qū)動、雙核的驅(qū)動，開啟必要的中斷位，隨后總控任務(wù)開始輪詢外部消息，有消息進來時根據(jù)上述描述的狀態(tài)機，傳遞給其他任務(wù)，運行其他任務(wù)，同時保證每隔5個時鐘節(jié)拍重新輪詢一次消息隊列，處理新的外部消息，沒有新的消息立即釋放CPU的控制權(quán)，返回正在運行的任務(wù)。

　　6　結(jié)束語

　　本文討論了UCOS-II操作系統(tǒng)在ZEVIO1020上的移植過程，闡述了移植過程中的幾個主要步驟，同時針對數(shù)碼相框這個電子消費產(chǎn)品給出了整個系統(tǒng)任務(wù)的設(shè)計方法以及如何進行任務(wù)間的消息傳遞方案。解決了系統(tǒng)中多任務(wù)之間相互切換和多任務(wù)同時運行的困窘。充分挖掘了UCOS-II操作系統(tǒng)的特性，靈活運用了操作系統(tǒng)的資源并且予以實現(xiàn)。實驗測試結(jié)果顯示，各種任務(wù)模塊可以在預(yù)想的方案中實現(xiàn)靈活的調(diào)度。

圖5　基于UCOS-II操作系統(tǒng)的數(shù)碼相框實物圖