隨著半導體制造工藝的發(fā)展和計算機體系結構的改進，DSP處理芯片的處理能力越來越強大，控制的外圍設備越來越多，軟件算法也越來越復雜。對于DSP系統(tǒng)的軟件開發(fā)，不僅要面對復雜的軟件算法，同時還要把大部分精力放在各種外圍設備和相關的硬件控制上，整個過程復雜而艱辛。因此，為這一類系統(tǒng)開發(fā)小巧精致、便于移植的嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有實際的意義。本文參考開放源代碼實時操作系統(tǒng)uC／OS-II，完成了基于ADI公司的ADSP-TigerSHARC101S（以下簡稱TS101）系列DSP芯片的嵌入式實時操作系統(tǒng)的設計和開發(fā)工作。

1 TS101芯片簡介

TS101是美國ADI公司生產(chǎn)的一款高性能靜態(tài)超標量處理器。ADSP-TS101S的內(nèi)核指令周期為3.3ns，每周期能夠執(zhí)行4條指令、24個16-bit定點運算和6個浮點運算。內(nèi)部有三條相互獨立的128bit寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，每條總線各連接一個2MB內(nèi)部存儲器陣列，可提供4個字的數(shù)據(jù)、指令及I／O訪問，以及14.4Gbytes／s的內(nèi)部存儲器帶寬。

在ADSP-TS101內(nèi)部的雙運算模塊中，每個均包含一個ALU、乘法器、64-bit移位器和32個字的寄存器組及相關的數(shù)據(jù)對齊緩沖器（DAB）。芯片中的雙整數(shù)ALU（IALU）均有自己的31個字的寄存器組以用于數(shù)據(jù)尋址。此外，TS101中還帶有一個帶指令對齊緩沖器（IAB），以及分支目標緩沖器（BTB）和中斷控制器的程序控制器，同時有三條相互獨立的128bit寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線以及片內(nèi)6MB SRAM；TS101提供有與主機處理器、多處理器空間（DSP）、外部SRAM和SDRAM相連的外部端口和一個14通道DMA控制器、四個鏈路口、兩個64bit問隔定時器和定時器計滿引腳。芯片上一個與IEEE 1149.1兼容的JTAG接口可用于片上仿真。

2 基于TS101的嵌入式實時操作系統(tǒng)功能

本文介紹的基于TS101的嵌入式操作系統(tǒng)是參考源碼公開的實時操作系統(tǒng)uC／OS-II來設計的，實際上，它和uC／OS-II一樣，僅僅是一個實時內(nèi)核，而不具有像GUI、TCP／IP協(xié)議棧等功能部件。它支持占先式多任務調(diào)度，并可提供有效的服務（如信號量、郵箱、隊列、延時、超時等）。同時，在uC／OS-II基礎上可引入高級操作系統(tǒng)中的進程和線程等概念。因此，本沒計采用了進程與線程結合的方式，即將實現(xiàn)不同功能的任務視為進程，然后在任務內(nèi)部進行細分，以劃分為不同的線程。進程間的調(diào)度與切換在TS101內(nèi)部存儲區(qū)和外部擴展存儲區(qū)（例如SDRAM）中進行，而線程間的調(diào)度與切換則在TS101內(nèi)部存儲區(qū)中實現(xiàn)。從本設計的整個TS101嵌入式實時系統(tǒng)來看，它的基本功能主要包括任務管理、中斷管理、內(nèi)存管理三方面內(nèi)容。

在TS101嵌入式實時系統(tǒng)的三大塊功能中，任務管理功能模塊基本上是uC／OS-II的簡單移植，本文主要針對中斷處理和存儲器管理兩大部分進行設計說明。

3 TS101的中斷處理

TS101的中斷處理包括硬件中斷和軟件中斷兩大類，其中軟件中斷又包括軟件異常中斷和Debug中斷。

3.1 硬件中斷

TS101處理器不需要專門的堆棧指針來保存現(xiàn)場，器件中IALU的J、K寄存器都可以用作堆棧指針。在允許嵌套中斷的中斷服務程序中，可將中斷返回地址（即RETIB）值保存到堆棧中，這樣，在從RETIB讀出返回地址后，系統(tǒng)將自動開啟全局中斷使能。但在保存相關的寄存器和RETI時本應禁止全局中斷使能，所以這是在程序控制器將PC寫入RETI時自動完成。如果系統(tǒng)不支持嵌套的硬件中斷，則無需把處理器狀態(tài)保存在堆棧中。中斷一般根據(jù)寄存器RETI執(zhí)行并在中斷后返回，而不需要再對硬件中斷的全局禁止位進行處理。

3.2 軟件中斷 （異常）

異常軟件中斷是在程序執(zhí)行的過程中觸發(fā)的。使能異常中斷時，可將PMASK［62］置位，并將PC存儲于RETS；而對于仿真異常，則將PMASK［63］置位，PC存儲于DBUG中。當異常中斷出現(xiàn)時，程序控制器將從寄存器IVSW指向的地址取址，仿真異常則從EMUIR寄存器取址，同時將指令流水的指令清空。

3.3 中斷返回

中斷返回是通過在中斷服務程序中執(zhí)行RTI指令來實現(xiàn)的。當然，這要求在響應中斷服務程序時就將返回的地址保存在該寄存器中。通常要求至少在執(zhí)行該指令前的8個指令周期就將返回地址放入在寄存器RETIB中，這樣，分支緩沖BTB才能使用。

4 操作系統(tǒng)中斷處理的實現(xiàn)

在本操作系統(tǒng)中，對于用戶中斷服務程序的處理過程，其示意代碼和功能如表1所列。

事實上，用戶應首先將處理器的寄存器壓人當前堆棧［程序列表1中的（1）］。在進行中斷處理時，操作系統(tǒng)需要知道用戶在做中斷服務，因此，用戶應該調(diào)用OS_Int_Enter_C（）將全局變量OSIntNesting［程序列表1中的（2）］直接加1。完成上述兩步以后，用戶就可以開始服務于引發(fā)中斷的設備了［程序列表1中的（3）］。由于該操作系統(tǒng)允許中斷嵌套，而且系統(tǒng)能跟蹤嵌套層數(shù)OS-IntNesting。然而，為允許中斷嵌套，在多數(shù)情況下，用戶應在開中斷之前先清中斷源。調(diào)用脫離中斷函數(shù)OS_Int_Exit_C（）［程序列表1中的（4）］標志著中斷服務子程序的終結，同時OSIntExit （）會將中斷嵌套層數(shù)計數(shù)器減l。當嵌套計數(shù)器減到零時，所有中斷，包括嵌套的中斷便都完成了。此時操作系統(tǒng)要判定有沒有優(yōu)先級較高的任務被中斷服務子程序（或任一嵌套的中斷）喚醒。如果有高優(yōu)先級的任務進入了就緒態(tài)，系統(tǒng)則返回到那個高優(yōu)先級的任務，OS_Int_Exit_C（）返回到調(diào)用點［程序列表1中的（5）］。保存的寄存器的值將在這時被恢復，然后在去執(zhí)行中斷返回指令［程序列表1中的（6）］。應當注意的是，如果調(diào)度被禁止（OSIntNesting》0），系統(tǒng)將返回到被中斷的任務。

以上描述的詳細解釋如圖1所示。圖中，有時中斷來到了［圖1（1）］，但還不能被處理器識別，這也許是因為中斷被操作系統(tǒng)或用戶應用程序關了，或者是因為處理器還沒執(zhí)行完當前的指令。一旦處理器響應了這個中斷［圖1（2）］，處理器的中斷向量將跳轉到中斷服務子程序［圖1（3）］。中斷服務子程序在處理器寄存器（也叫做CPU context）［圖1（4）］中一旦保存完畢，用戶中斷服務子程序將通知操作系統(tǒng)進入中斷服務子程序，辦法是通過調(diào)用OS_Int_Enter_C（）給OS-IntNesting加1［圖1（5）］。然后用戶中斷服務代碼開始執(zhí)行［圖1（6）］。應當注意的是，用戶中斷服務中做的事要盡可能地少，而把大部分工作留給任務去做。用戶中斷服務完成以后，要調(diào)用OS_Int_Exit_C（）［圖1（7）］。從時序圖上可以看出，對被中斷的任務來說，如果沒有高優(yōu)先級的任務被中斷服務子程序激活而進入就緒態(tài)，OS_Int_Exit_C（）只占用很短的運行時間。在這種情況下，CPU寄存器只是簡單地恢復［圖1（8）］并執(zhí)行中斷返回指令［圖1（9）］。而如果中斷服務子程序使一個高優(yōu)先級的任務進入了就緒態(tài)，則OS_Int_Exit_C（）將占用較長的運行時間，因為這時要進行任務切換［圖1（10）］。新任務的寄存器內(nèi)容要恢復并執(zhí)行中斷返回指令［圖1（12）］。

5 存儲器管理

在TS101的C環(huán)境下，可將內(nèi)存劃分為代碼區(qū)（code）、數(shù)據(jù)區(qū)（data）、堆（heap）區(qū)和棧（stack）區(qū)。代碼區(qū)用來存放用戶代碼，數(shù)據(jù)區(qū)用來存放全局變量和靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)，棧區(qū)用來存放臨時變量等數(shù)據(jù)，堆區(qū)用來為用戶提供動態(tài)內(nèi)存分配。在編譯器的鏈接描述文件（Linker DescriptonFile.LDF）中，可以手動劃分各個內(nèi)存分區(qū)的大小。在TS101所提供的庫函數(shù)中已經(jīng)包含了比較完備的內(nèi)存管理函數(shù)（如常用的calloc，free，malloc和realloc等函數(shù)），可用于對內(nèi)存進行基本管理。

在對操作系統(tǒng)進行設計的過程中，應將重心放在內(nèi)存的擴展上，以便有效地使

用外部存儲器（例如SDRAM等）。為了實現(xiàn)內(nèi)存擴展，本設計將一個大型任務看作一個進程，再將一個進程劃分為不同的小線程。在系統(tǒng)的外部存儲器中可以存放多個進程，而每次只將一個讀人到內(nèi)存中來運行。操作系統(tǒng)的主要管理對象是這個進程所劃分的多個線程。這樣，在一個系統(tǒng)中就可以運行多個進程，它們之間可以由程序進行由內(nèi)存到外存或由外存到內(nèi)存的切換控制，但在切換過程中需要花費一些時間代價。

5.1 外部存儲器堆區(qū)的使用

TS101為用戶提供了堆區(qū)，并提供有calloc、malloc、realloc和free等函數(shù)來對其進行管理和使用，同時用戶可以通過手動修改鏈接描述文件以獲得相對較大的堆區(qū)。然而，在默認情況下，用戶所能使用的只是鏈接描述文件中所提供的那一塊堆區(qū)，這對用戶來說是遠遠不夠的。如果用戶在外部存儲器上也能夠像在內(nèi)存中一樣動態(tài)的開辟存儲空間來進行使用，那將會帶來極大的方便。幸運的是，TS101的編譯系統(tǒng)提供了這一功能，用戶只需要對系統(tǒng)提供的名為“ts_hdr.asm”的匯編文件和鏈接描述文件進行修改并編譯“ts_hdr.asm”文件，再用生成的“ts_hdr.doj”文件代替鏈接描述文件中的“ts_hdr_TS101”即可。

以下將對文件的修改過程做簡要的介紹。下面是TS101鏈接描述文件中對于默認堆區(qū)的描述，它定義了默認堆區(qū)的基址和堆區(qū)的大?。?/p>

在“ts_hdr.asm‘’匯編文件中可對默認堆區(qū)進行操作，它的主要功能是為默認堆區(qū)規(guī)定ID號0，以便有新的堆區(qū)存在時方便使用。

ts_hdr.asm對默認堆棧進行編號的代碼：

· var=1df_defheap_base；

· var=1df_defheap_size；

· var=0；

對鏈接描述文件和匯編文件進行修改時，只需要在鏈接描述文件中對新的堆區(qū)進行描述并在匯編文件中對其進行編號即可。代碼如下：

對新的堆棧區(qū)進行描述的代碼可開辟于外部存儲器之中（SDRAM）。并在新的堆棧中將其編號為1。按照以上步驟將文件修改完畢之后，用戶就可以在外部存儲區(qū)中動態(tài)地使用內(nèi)存了。編譯器還為動態(tài)內(nèi)存的開辟提供了一系列的庫函數(shù)。其具體程序還在內(nèi)部存儲器中的默認堆區(qū)動態(tài)開辟了大小為50的內(nèi)存［6（1）］，并在外部存儲區(qū)中動態(tài)開辟了大小為256的內(nèi)存［6（2）］。其程序如下：

int*x，*y；

x=heap_malloc （0，50）； （1）

y=heap_malloc （1，256）； （2）

5.2 內(nèi)存覆蓋

通過TS101可將數(shù)量極大的程序代碼放入外部存儲器中。每次通過DMA傳輸方式讀入少量的程序代碼到內(nèi)存來執(zhí)行，這樣既擴展了內(nèi)存空間。又比將全部代碼放入外部存儲器節(jié)省時間，這種方式稱為內(nèi)存覆蓋（overlay）。內(nèi)存覆蓋是一種多對一的內(nèi)存映射技術，它可將多段代碼存儲在外部存儲器劃定的不同位置，但也可以在內(nèi)存中的同一位置運行。代碼在外部存儲器的存儲區(qū)稱為“l(fā)ive”區(qū)，在內(nèi)存中的運行區(qū)稱為“run”區(qū)。

圖2所示是overlay的使用結構圖。由圖可見，在外部存儲器中，overlay1和overlay2可在內(nèi)存中的同一區(qū)域中運行，而overlay3和overlay4也可以在內(nèi)存的同一區(qū)域中運行。當主函數(shù)調(diào)用FUNC_B時，overlay2將被換入內(nèi)存中運行，而當主函數(shù)調(diào)用FUNC_A時，再用overlay1置換over-lay2，overlay3和overlay4的使用與overlay1和over-lay2相同。代碼在內(nèi)存與外存之間的置換主要通過DMA傳輸來實現(xiàn)。

內(nèi)存覆蓋管理器是用戶編寫的用來將函數(shù)或數(shù)據(jù)載入內(nèi)存的子程序，它們與鏈接器提供的PLIT{}指令配合使用可完成內(nèi)存覆蓋操作。內(nèi)存覆蓋管理器除了負責由外部存儲器向內(nèi)存的載入操作外，還應當負責建立堆棧保存寄存器的值，檢查需要調(diào)用的函數(shù)是否已經(jīng)在內(nèi)存之中，以及利用DMA操作在其它函數(shù)執(zhí)行時運行內(nèi)存覆蓋載入。

通過鏈接描述文件可對內(nèi)存覆蓋進行輔助操作。此操作需定義OVLY_one和OVLY_two兩塊overlay代碼，其中OVLY_one包含函數(shù)FUNC_A.doj，而OVLY_two包含F(xiàn)UNC_B.doj和FUNC_C.doj，它們共同在MOCode的同一內(nèi)存區(qū)域運行。在鏈接描述文件中對overlay進行操作的程序代碼如下：

}》MOCode

在鏈接描述文件中，還可以通過定義PLIT{}指令來協(xié)助內(nèi)存覆蓋操作的完成。當主函數(shù)調(diào)用一個內(nèi)存覆蓋區(qū)的函數(shù)時，鏈接器將重新引導函數(shù)調(diào)用并進行操作。例如當主函數(shù)調(diào)用了內(nèi)存覆蓋函數(shù)FUNC_A時，鏈接器會將其自動轉化為調(diào)用.plt_FUNC_A操作。此操作在函數(shù)執(zhí)行之前先進行PLIT操作，并跳轉到overlay管理器中執(zhí)行，然后再執(zhí)行函數(shù)A。下面是對PLIT進行操作的定義代碼：

5.3 內(nèi)存擴展的實現(xiàn)

操作系統(tǒng)提供了OS_Process_Sched（）函數(shù)來完成這一操作，該函數(shù)中的進程切換函數(shù)順序代碼如下：

（1） 將處于在內(nèi)存中的進程的寄存器值壓入堆棧；

（2） 將處于內(nèi)存中的進程的全部存儲區(qū)內(nèi)容由DMA方式放入外存：

（3） 調(diào)用在外存中的進程的寄存器出棧函數(shù)；

（4） 跳轉到新的進程運行。

在進程調(diào)度中，一般首先將所有寄存器值壓入當前進程堆棧中進行保存［順序代碼（1）］，然后將內(nèi)存進程存儲區(qū)中的所有內(nèi)容放入外部存儲器中保存，以便當該進程重新進入內(nèi)存運行時能夠完全恢復原有運行環(huán)境［順序代碼（2）］。這里的所有內(nèi)容是指與當前進程有關的數(shù)據(jù)，包括進程的堆棧、進程的全局變量、進程動態(tài)申請的內(nèi)存塊等等。調(diào)用外部存儲器中的進程寄存器出棧函數(shù)［順序代碼（3）］主要是利用前面所述的內(nèi)存覆蓋技術來進行的，該寄存器的出棧函數(shù)一般放在外部存儲器中，操作時可通過調(diào)用它使鏈接器跳轉到內(nèi)存覆蓋管理器來完成外部存儲器進程向內(nèi)存的加載。但在這里要對內(nèi)存覆蓋管理器進行修改，并添加外部存儲器中進程的全部數(shù)據(jù)的載入函數(shù)，然后，程序才能跳轉到新的進程中開始運行［順序代碼（4）］。

6 結束語

本文在對嵌入式實時操作系統(tǒng)進行研究的基礎上，完成了基于TS101DSP芯片的嵌入式實時操作系統(tǒng)的設計。所設計的系統(tǒng)體系結構主要參考的是開放源代碼的實時操作系統(tǒng)uC／OS_II，并在此基礎上，根據(jù)芯片本身的特點和實際應用的需要進行了創(chuàng)新和重設計，這主要體現(xiàn)在以下三方面：

（1） 結合TS101芯片的特點，實現(xiàn)了中斷處理部分的設計；

（2） 放棄了一般操作系統(tǒng)對內(nèi)存采取每一任務分配一塊內(nèi)存的方法，而是采用對內(nèi)存進行分塊管理，并采取所有任務公用同一塊內(nèi)存。對同一內(nèi)存統(tǒng)一管理的方式；

（3） 根據(jù)實際系統(tǒng)需要研究，并實現(xiàn)了內(nèi)存覆蓋技術，擴展了系統(tǒng)的存儲空間。

當然，任何嵌入式操作系統(tǒng)的設計都有一個簡單到詳細的過程，需要逐步完善。本文只是完成了TS101嵌入式實時操作系統(tǒng)基本功能的實現(xiàn)。相信經(jīng)過長期的實際模擬運行，定能建立起功能更加完善、結構更加穩(wěn)固可靠的嵌入式實時操作系統(tǒng)。

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