介紹一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS
摘要:德州儀器(TI)基于軟件開(kāi)發(fā)面臨的新的要求,推出了一種新型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) DSP/BIOS。 運(yùn)行于該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序在開(kāi)發(fā)時(shí)間、軟件維護(hù)、升級(jí)等方面都有了極大的提高。針對(duì) DSP/BIOS的主要性能加以介紹。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/242236.htm關(guān)鍵詞:數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(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(lái)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(méi)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(yǔ)言如C來(lái)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(kāi)發(fā)者量身定做的一個(gè)優(yōu)秀軟件平臺(tái)。 更可貴的是該操作系統(tǒng)是免費(fèi)的,這為眾多的中小用戶使用DSP打開(kāi)了方便之門。
1 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
簡(jiǎn)單地說(shuō),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(jiàn)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)。 DSP/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(kāi)發(fā)的時(shí)候通常需要使用printf()來(lái)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)椋模樱行枰獙?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(wú)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 <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內(nèi)時(shí)鐘控制每100ms周期性地分別調(diào)用一次。通過(guò)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(kāi)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(yǔ)言的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō),LOG_printf()的調(diào)用格式幾乎與printf()完全一樣。
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)。 由于現(xiàn)在的DSP通常具有很深的流水線結(jié)構(gòu)來(lái)保證DSP的高運(yùn)算能力,如德州儀器的C6000系列的流水線長(zhǎng)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(méi)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。
表1 STS模塊方法(API)的功能
空 | STS_add(x) | STS_set(y) | STS_delta(z) | STS_reset() |
Previous | 空 | y | Z | 空 |
Count | +1 | 空 | +1 | 0 |
Yotal | +x | 空 | +(z-Previous) | 0 |
Max | If x>Max,Max=x | 空 | If z-Previous>Max, 最大負(fù)整數(shù) Max=z-Previous | 空 |
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 <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());
/* 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(guò)HWI、SWI和 TSK 三個(gè)模塊來(lái)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(xiě)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(lái)調(diào)度相應(yīng)的軟件中斷,SWI來(lái)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。
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(guò)TSK模塊來(lái)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(guò)TSK_create()和TSK_delete()來(lái)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(guò)多種方法來(lái)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(guò)模塊SEM、ATM、QUE和MBX來(lái)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(lái)加以簡(jiǎn)單地說(shuō)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。
表2 SWI中Mailbox的操作功能
空 | Mailbox是比特操作 | Mailbox是計(jì)數(shù)操作 |
總是引起任務(wù)調(diào)度 | SWI_or | SWI_inc |
僅在Mailbox=0時(shí)引起任務(wù)調(diào)度 | SWI_andn | SWI_dec |
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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)是非常有幫助的??紤]到DSP大多數(shù)是通過(guò)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(xiě)。圖3很好地說(shuō)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(xiě)任務(wù)的示范程序。
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(xiě)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(guò)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(xiě)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(xiě)PIP就是一個(gè)數(shù)據(jù)拷貝的過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)就會(huì)有很大的改善。SIO的操作只有get()和 put()兩種。與PIP不同的是SIO沒(méi)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(méi)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(lái),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(guò)JTAG接口來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。
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(writeloadW)
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(guò)一系列的對(duì)象模塊向開(kāi)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(kāi)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(guó)的推廣使用起到積極的推動(dòng)作用。
評(píng)論