原创 实时操作系统ＤＳＰ／ＢＩＯＳ(转帖)

    关键词：数字信号处理器（ＤＳＰ） 实时操作系统（ＢＩＯＳ）

    德州仪器新推出的ＤＳＰＣ６４００系列最高运行时钟可以达到１．１ＧＨｚ,运算能力可以达到８８００ＭＩＰＳ。如何充分发挥ＤＳＰ的这种性能优势,对软件提出了很高的要求。首先为了降低系统成本,就要求将许多以前用硬件实现的功能软件化,原来由多个ＤＳＰ完成的工作由一块ＤＳＰ完成,ＤＳＰ要能够同时完成多个相同或不同的任务而相互之间没有影响。其次为了产品的维护和升级,要求软件尽可能地模块化,使用高级语言如Ｃ来编程,有统一的接口ＡＰＩ。所有这些新的要求,都需要使用实时操作系统。以往直接将应用程序运行于裸机之上的作法显然已经不再适用了。德州仪器推出的 ＤＳＰ／ＢＩＯＳ技术正是基于其多年从事ＤＳＰ研制生产的经验,为开发者量身定做的一个优秀软件平台。 更可贵的是该操作系统是免费的,这为众多的中小用户使用ＤＳＰ打开了方便之门。

１ 实时操作系统

    简单地说,实时操作系统与一般意义上的操作系统（如Ｗｉｎｄｏｗｓ, Ｕｎｉｘ等）的主要差别就在于实时操作系统提供了一种机制,使得运行于其上的应用程序都能够满足实时性的要求。 在Ｗｉｎｄｏｗｓ中常见的沙漏现象（即用户等待现象）在实时系统中是绝对不允许的。因为这可能造成通讯中断,马达损毁等灾难性的结果。 ＤＳＰ／ＢＩＯＳ是特别针对实时系统,运行于德州仪器Ｃ５０００,Ｃ６０００系列的ＤＳＰ之上的一个实时操作系统。 ＤＳＰ／ＢＩＯＳ实际上是一个可调用的系统模块ＡＰＩ的集合。以下就各个模块分别加以介绍。

２ ＬＯＧ

    在开发的时候通常需要使用ｐｒｉｎｔｆ（）来显示当前状态。但是ｐｒｉｎｔｆ（）是非常花费时间的函数 而且不具有实时性。因为ＤＳＰ需要对显示的数据进行分析,整理成合适的显示格式,并调用输出显示模块。所以在一个实时性要求很高的应用中,对ｐｒｉｎｔｆ（）的调用可能会使系统根本无法满足实时要求。在ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中引入了一个相应的函数ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ（）。该函数是ＬＯＧ 对象的一个方法（或调用函数〕。ＬＯＧ对象本质上是一个３２ｂｉｔ的整形数,其高低１６ｂｉｔ分别代表要显示的两个数据。例１是分别使用ｐｒｉｎｔｆ（）和ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ（）作比较的示范程序：

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｔｄｉｏ．ｈ＞

    ／* Ｈｅａｄｅｒ ｆｉｌｅｓ ｎｅｅｄｅｄ ｆｏｒ ＤＳＰ ＢＩＯＳ *／

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｔｄ．ｈ＞

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｌｏｇ．ｈ＞

    ／* ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ *／

    ｖｏｉｄ ｆｕｎｃ＿ｐｒｉｎｔｆ（）;

    ｖｏｉｄ ｆｕｎｃ＿ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ（）;

    ／* Ｏｂｊｅｃｔｓ ｃｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ *／

    ｅｘｔｅｒｎ ＬＯＧ＿Ｏｂｊ ｌｏｇＴｒａｃｅ;

    ／*

    *＝＝＝＝＝＝＝＝ ｍａｉｎ ＝＝＝＝＝＝＝＝

    *／

    ｖｏｉｄ ｍａｉｎ （）

    {

    ｒｅｔｕｒｎ;

    }

    ｖｏｉｄ ｆｕｎｃ＿ｐｒｉｎｔｆ(ｉｎｔ ｔｉｍｅ)

    {

    ｐｒｉｎｔｆ(″Ｓｔｒａｒｔ ｐｒｉｎｔｆ ｄｅｍｏ＼ｎ″);

    ｐｒｉｎｔｆ(″Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｉｍｅ＝％ｄ ＼ｎ″ , ｔｉｍｅ);

    ｐｒｉｎｔｆ(″Ｅｎｄ ｐｒｉｎｔｆ ｄｅｍｏ＼ｎ″);

    ｒｅｔｕｒｎ;

    }

    ｖｏｉｄ ｆｕｎｃ＿ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ(ｉｎｔ ｔｉｍｅ)

    {

    ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ(＆ｌｏｇＴｒａｃｅ,″Ｓｔｒａｒｔ ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ ｄｅｍｏ＼ｎ″);

    ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ(＆ｌｏｇＴｒａｃｅ, ″Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｉｍｅ＝％ｄ ＼ｎ″ ｔｉｍｅ);

    ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ(＆ｌｏｇＴｒａｃｅ, ″Ｅｎｄ ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ ｄｅｍｏ＼ｎ″);

    ｒｅｔｕｒｎ;

    }

    ｆｕｎｃ＿ｐｒｉｎｔｆ()和ｆｕｎｃ＿ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ()由ＤＳＰ内时钟控制每１００ｍｓ周期性地分别调用一次。通过对ｐｒｉｎｔｆ()和ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ()运行时间作比较发现,在Ｃ６２１１运行在１５０ＭＨｚ的情况下,ｐｒｉｎｔｆ()需花费４０００个周期约２６．７μs,LOG_printf()只花费36个周期约0.24μｓ。ｐｒｉｎｔｆ（）比ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ（）多开销１００倍以上的时间,因此ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ（）对于实时地显示一些运行状态是非常有帮助的。而且对于熟悉Ｃ语言的开发者来说,ＬＯＧ＿ｐｒｉｎｔｆ（）的调用格式几乎与ｐｒｉｎｔｆ（）完全一样。

３ ＳＴＳ

    对一个软件进行分析优化时,通常会用到ｐｒｏｆｉｌｅ的功能。但是在实时运行的ＤＳＰ的环境中使用ｐｒｏｆｉｌｅ等效于加入了多个程序断点。 由于现在的ＤＳＰ通常具有很深的流水线结构来保证ＤＳＰ的高运算能力,如德州仪器的Ｃ６０００系列的流水线长度为１２级,程序断点需要排空所有已经进入流水线的指令。这样也就破坏了真正的运行环境。同时ｐｒｏｆｉｌｅ还必须调用输出模块向主机传递时间信息。因此在ｐｒｏｆｉｌｅ的情况下真正的实时运行环境是没有办法得到保护的。ＤＳＰ／ＢＩＯＳ针对这种情况引入了一个统计模块ＳＴＳ。ＳＴＳ对象只有４个数据Ｐｒｅｖｉｏｕｓ、Ｃｏｕｎｔ、Ｔｏｔａｌ和Ｍａｘ。调用的方法（ＡＰＩ）也只有４个,即ＳＴＳ＿ａｄｄ（）, ＳＴＳ＿ｓｅｔ（）, ＳＴＳ＿ｄｅｌｔａ（）和ＳＴＳ＿ｒｅｓｅｔ（）。这些ＡＰＩ对数据的操作功能如表１所示。

表1 STS模块方法（API）的功能

    如果要对某一段程序进行分析时,只需在其前后调用ＳＴＳ＿ｓｅｔ和ＳＴＳ＿ｄｅｌｔａ就可以了。如例２使用ＳＴＳ测试程序段执行周期如下：

    ／* Ｈｅａｄｅｒ ｆｉｌｅｓ ｎｅｅｄｅｄ ｆｏｒ ＤＳＰ ＢＩＯＳ *／

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｔｓ．ｈ＞

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｃｌｋ．ｈ＞

    ／* ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ *／

    ｖｏｉｄ ｆｕｎｃ＿ｌｏａｄ（）;

    ／* Ｏｂｊｅｃｔｓ ｃｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ *／

    ｅｘｔｅｒｎ ＳＴＳ＿Ｏｂｊ ｓｔｓＬｏａｄ;

    ／*

    * ＝＝＝＝＝＝＝＝ ｍａｉｎ ＝＝＝＝＝＝＝＝

    *／

    ｖｏｉｄ ｍａｉｎ（）

    {

    ／* ｆａｌｌ ｉｎｔｏ ＤＳＰ／ＢＩＯＳ ｉｄｌｅ ｌｏｏｐ *／

    ｒｅｔｕｒｎ;

    }

    ｖｏｉｄ ｆｕｎｃ＿ｌｏａｄ()

    {

    ＳＴＳ＿ｓｅｔ(＆ｓｔｓＰｒｉｎｔｆ, ＣＬＫ＿ｇｅｔｈｔｉｍｅ());

    ／* 测试程序段 *／

    ．．．

    ＳＴＳ＿ｄｅｌｔａ(＆ｓｔｓＰｒｉｎｔｆ, ＣＬＫ＿ｇｅｔｈｔｉｍｅ());

    }

    ｆｕｎｃ＿ｌｏａｄ()为一个中断服务程序(ＩＳＲ)。在Ｃ６２１１,１５０ＭＨｚ的情况下,仅插入３３个周期,约０．２２μs。

４ 任务调度（ＨＷＩ／ＳＷＩ／ＴＳＫ）

    一个操作系统的核心永远都是任务的调度。在ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中任务的调度是通过ＨＷＩ、ＳＷＩ和 ＴＳＫ 三个模块来实现的。这三个模块分别对应于不同的调度方法。ＨＷＩ即硬件中断。在 ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中硬件中断主要负责从外部设备中读写数据。由于硬件中断直接与硬件打交道,所以对应的中断服务程序ＩＳＲ应该尽可能地短小精悍。需要注意的是ＨＷＩ并不引起任务调度,因此在ＩＳＲ的入口和出口成对地调用＿ＨＷＩ＿ｅｎｔｅｒ（）和＿ＨＷＩ＿ｅｘｉｔ（）这两个宏是必须的。ＨＷＩ在处理完数据的输入输出后调用ＳＷＩ＿ｐｏｓｔ（）来调度相应的软件中断,ＳＷＩ来完成数据处理工作。ＳＷＩ是 ＤＳＰ／ＢＩＯＳ任务调度的核心,共有１４个优先级,每个优先级可以有多个任务。ＳＷＩ任务是抢断式的,即高优先级的任务可以抢断低优先级的任务。但是ＳＷＩ任务是不可阻塞的。它的运行状态如图１所示。

    所有ＳＷＩ任务共享一个堆栈,ＳＷＩ任务只能在程序编制时预先定义好。ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中对任务的动态产生和对阻塞状态的支持是通过ＴＳＫ模块来实现的。ＴＳＫ有１５个优先级,也是可以抢断的,但是每个ＴＳＫ任务使用独立的堆栈。ＴＳＫ任务是通过ＴＳＫ＿ｃｒｅａｔｅ（）和ＴＳＫ＿ｄｅｌｅｔｅ（）来动态生成和结束的。它的运行状态如图２所示。

５ 同步（ＳＥＭ／ＡＴＭ／ＱＵＥ／ＭＢＸ）

    多任务系统中多个任务之间的协调同步工作可以通过多种方法来实现。常用方法如信号量、原子量、队列和邮箱等。在ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中对这些方法的支持分别通过模块ＳＥＭ、ＡＴＭ、ＱＵＥ和ＭＢＸ来实现。由于这些方法的使用与一般的操作系统完全一样,在这里就不再赘述了。仅就最灵活的在ＳＷＩ中使用Ｍａｉｌｂｏｘ的方法来加以简单地说明。每个ＳＷＩ任务都带有一个Ｍａｉｌｂｏｘ,对它的操作可以是计数型的ＳＷＩ＿ｉｎｃ（）, ＳＷＩ＿ｄｅｃ（） 也可以是比特位操作型的 ＳＷＩ＿ｏｒ（）, ＳＷＩ＿ａｎｄｎ（）。Ｍａｉｌｂｏｘ控制ＳＷＩ任务被调度的条件。这些操作的功能如表２所示。

表2 SWI中Mailbox的操作功能

    ｏｒ操作是将Ｍａｉｌｂｏｘ中的某一位置１,同时引起ＳＷＩ任务的调度。当一个ＳＷＩ任务可能由多个事件触发时,使用ｏｒ操作可以方便地表示出触发的事件。如例３使用ｏｒ操作指示触发事件：

    ａｎｄｎ操作是将Ｍａｉｌｂｏｘ中的某一位清０,如果Ｍａｉｌｂｏｘ为０,则引起ＳＷＩ任务的调度。一个ＳＷＩ任务需要多个条件都满足时才运行的情况下,使用ａｎｄｎ操作可以方便地表示出这些条件的状态。如例４用ａｎｄｎ操作来表示多条件时ＳＷＩ任务调度：

    ｉｎｃ和ｄｅｃ操作则更加灵活,用户可以借此实现多种应用。唯一需要注意的是,ｉｎｃ操作总是引起任务调度,而ｄｅｃ操作仅在Ｍａｉｌｂｏｘ减到０时才引起一次任务调度。

６ 通讯（ＰＩＰ／ＳＩＯ／ＨＳＴ）

    一个系统如何从外部设备中取得数据,向外部设备输出数据,如何在两个任务之间进行数据正常交换是多样灵活的。但是这种多样性也给软件的维护升级以及模块化工作带来许多不利因素。因此在保持多样性的同时,保持接口的一致性对于一个软件来说是非常有帮助的。考虑到ＤＳＰ大多数是通过某种类型的串行接口如中继线Ｅ１、ＩＩＳ、ＳＰＩ、同步串行口等与外部设备进行数据交换的,所以在ＤＳＰ／ＢＩＯＳ中提供了两种非常有用的接口对象ＰＩＰ和 ＳＩＯ。

    ＰＩＰ对象包含一个缓冲队列,与之对应的有两个任务读和写。图３很好地说明了ＰＩＰ的逻辑关系和操作方式。例５,例６分别是一个ＰＩＰ对象对应的读任务和写任务的示范程序。

    例５ ＰＩＰ对应的读任务：

    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对应的写任务：

    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;*／

    }

    }

    由逻辑关系可以看到,通过使用ＰＩＰ应用程序可以保持一个简单统一接口而不必关心具体的硬件操作,因此当该软件移植到不同环境中时,至多只需要改写设备驱动程序。使用ＰＩＰ的一个具体实例就是ＨＳＴ模块。ＨＳＴ模块在主机和ＤＳＰ之间建立起一条数据链路,该链路就是一个ＰＩＰ对象。对ＨＳＴ的操作方式与ＰＩＰ一致。其差别仅仅在于ＨＳＴ在初始化时指向了预定义的ＤＳＰ上的ＨＰＩ接口而已。

    ＳＩＯ：从ＰＩＰ的逻辑关系可以看出,读写ＰＩＰ就是一个数据拷贝的过程。这在某些应用中,如实现网络协议ＴＣＰ／ＩＰ时,不是非常有效。因为数据每向上传递一层就需要进行一次数据拷贝,其效率非常差。如果采用ＳＩＯ来实现就会有很大的改善。ＳＩＯ的操作只有ｇｅｔ()和 ｐｕｔ()两种。与ＰＩＰ不同的是ＳＩＯ没有自己的缓冲队列。每次ｇｅｔ() 或 ｐｕｔ() 操作时都会在应用程序和设备驱动程序之间交换缓冲的指针。所以ＳＩＯ操作的实质是数据地址的交换。由于没有数据拷贝,其运行效率就很高。ＳＩＯ的运行逻辑如图４所示。

７ ＲＴＤＸ

    实时数据交换Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ－Ｄａｔａ－ｅＸｈａｎｇｅ是ＤＳＰ／ＢＩＯＳ提供的一个全新的功能。在很多应用中要求ＤＳＰ不能够停下来,而需要从主机中实时地读取数据或者向主机实时地输出数据。德州仪器的Ｃ５０００,Ｃ６０００系列的ＤＳＰ都可以通过ＪＴＡＧ接口来实现这个功能。其逻辑结构如图５所示。

    ＲＴＤＸ在主机端可以与任何符合ＯＬＥ接口的应用程序交换数据。例７是一个使用ＲＴＤＸ在主机和ＤＳＰ之间进行数据传递的例子。主机端是一个基于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编制的主机端程序

    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)

    综上所述,ＤＳＰ／ＢＩＯＳ针对ＤＳＰ的应用环境,通过一系列的对象模块向开发者提供了一个实用优秀的实时操作系统。它可以帮助用户提高软件的模块化、并行性和维护性等,有利于降低系统成本和缩短开发周期。同时由于它是免费的,可以预计ＤＳＰ／ＢＩＯＳ将对ＤＳＰ技术在中国的推广使用起到积极的推动作用。