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時操作系統(tǒng)，討論一些選擇標準，并強調(diào)由可編程邏輯解決方案引入的設(shè)計折衷。闡述了一個典型實例，這里我們以在萊迪思半導體公司的FPGA 上運行的LatticeMico32軟處理器設(shè)計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，服務層和應用模塊層以供選擇，從而加快產(chǎn)品上市時間并減少應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，因為集成嵌入式軟件的方式選擇余地很大，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)于選擇標準，設(shè)計方案以及折中考慮等傳統(tǒng)經(jīng)驗也需要與時俱進以適應這些新的開發(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時操作系統(tǒng)，討論一些選擇標準，并強調(diào)由可編程邏輯解決方案引入的設(shè)計折衷。闡述了一個典型實例，這里我們以在萊迪思半導體公司的FPGA 上運行的LatticeMico32軟處理器設(shè)計為例提供一個典型方案的討論。

　　傳統(tǒng)經(jīng)驗

　　根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗，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。編寫中斷服務程序( ISR)用以處理異步事件，以提供一些響應而不是輪詢設(shè)備方式來進行服務。 ISR的響應通常是在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，如果進行更復雜的操作，如執(zhí)行控制循環(huán)，提供圖形顯示服務，使用文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡堆棧( 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 功能強大的 處理器， 如開放源 代碼LatticeMico32軟處理器， 應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 (實時操作系統(tǒng))通常不是一個好的選擇，因為總是嚴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)場驗證，并可能已被認證應用于，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，并且完成詳細的文檔?

　　從商業(yè)的觀點來看，自己編寫的RTOS不是一個好的選擇。

　　商業(yè)RTOS

　　實時操作系統(tǒng)是一個管理微控制器，微處理器或DSP時間的軟件。最重要的一個特點是它對實時事件的響應，通常不到25微秒。這種響應通常是確定性，在某些情況下，甚至相當穩(wěn)定。一個實時操作系統(tǒng)以應用編程接口( API )的形式為應用程序員提供了許多“服務”。當選擇一個實時操作系統(tǒng)時，從技術(shù)和業(yè)務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對應用作出的響應夠嗎?

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

　　* RTOS可以實時用于不同的CPU (即代碼可以移植嗎)嗎 ?一個 實時操作系統(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)供應商那里得到滿意答復，了解價格結(jié)構(gòu)，支持結(jié)構(gòu)和供應商的聲譽和穩(wěn)定性。尋找一個ROTS操作系統(tǒng)或RTOS的供應商時，調(diào)查通常是一個好的開端。

　　當系統(tǒng)響應速度是最重要時，如控制和監(jiān)測應用程序，就會選擇商業(yè)的RTOS，因為它們很依賴于軟件的執(zhí)行功能。如果你可以選擇用硬件實現(xiàn)時間至關(guān)重要的功能，通常就不需要由RTOS提供嚴格的時間保證。