TMS320C55x嵌入式實時多任務系統DSP/BIOS II
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關鍵詞： 嵌入式；實時多任務操作系統；DSP/BIOS II；線程
2002年5月B版
引言
現在，由于復雜的硬件功能已經集成到標準集成電路中，系統開發人員首先應該知道如何選擇合適的芯片，然后基于此硬件結構設計軟件。系統設計者有兩種選擇：使用專用集成電路或可編程DSP實現信號處理。相比之下，可編程DSP有兩個優點：
可擴充性：設計者可以根據要求的處理效率，和需要的資源來量體選用DSP及所需的片數。
可升級性：將硬件的升級轉化成比較容易升級的軟件改動。
使用可編程DSP時，必須對芯片的各種資源(例如CPU,存儲區，外設等)加以管理規劃，通過DSP/BIOS可以輕松的完成這些工作。
TI公司TMS320C5000系列都帶有嵌入式DSP/BIOS，它有很強的實時分析和任務實時管理能力，可以有效的提高項目的開發效率，尤其表現在需要實時多任務的大型系統中。圖1為DSP/BIOS的部件結構。
DSP/BIOS II簡述
TI公司的DSP/BIOS II 是在DSP/BIOS I 基礎上的擴展。它支持更多的軟件模塊，通過修改內核提供搶先式多任務服務；它把傳統并行處理系統的內核服務集成為可測試內核；它增加了設備獨立的I/O數據流模型，繼續保留已有的數據管道；它增加了動態內存分配與內存管理。
TI的開發平臺CCS IDE 2.0中集成了DSP/BIOS II，可以對程序進行實時跟蹤與分析，提高應用程序開發的可靠性。可以在CCS插件中實時觀察DSP/BIOS內核中各線程的執行狀態與對象的當前屬性。通過設置工具，開發者可以對各個模塊實行配置。
DSP/BIOS II 核心API技術
目標應用程序通過調用DSP/BIOS II的API來獲得運行時的服務。一個單個DSP/BIOS II 模塊可以管理多種類的內核對象，并且依據全局參量的設定來控制整個行為。DSP/BIOS II 可以歸納為六大種類：
內核執行線程
圖1 DSP/BIOS 部件結構圖
圖2 線程優先級示意圖
圖3 數據流示意圖
圖4 數據管道示意圖
DSP/BIOS II提供四類不同的執行線程。每一類線程又具有不同的執行、搶先和懸掛特性。DSP/BIOS II 支持兩個高優先級的中斷線程和事先備好的后臺空閑過程循環。內核執行線程通過HWI, SWI和IDL模塊進行管理。另外，DSP/BIOS II新提供了多任務線程類，能較好的完成任務間的同步，它由TSK模塊管理，在任何執行時刻為懸掛和恢復執行同步，包括調整自身或其他任務的優先級。這種同步化的任務給并發系統設計提供了良好的基礎。
硬件抽象
DSP/BIOS II 提供硬件的邏輯接口。它獨立于硬件實現。它對硬件部分的訪問、配置，內存映射、片內定時器和硬件中斷等進行抽象，簡化了應用的移植。它通過可視化的設置工具定義內存映射、中斷向量表，對定時器編程，和完成動態的內存分配與釋放。
設備獨立I/O
設備獨立I/O模塊執行數據傳輸服務，傳輸可以在DSP與外設之間和多線程之間進行。DSP/BIOS II 支持數據管道(pipe)和數據流(stream)兩種傳送方式。數據管道是在讀寫線程之間快速傳送數據的小型統一部件。數據流為緩沖方案增加了靈活性使之適應更廣的需求。數據流依靠多個潛在的設備驅動器，這種設備驅動器封裝了設備獨立的屬性與方法。在數據通過堆疊(stacking)機制傳送時，設備驅動器能夠執行數據處理操作，驅動器在數據通道中實行流水線處理。PIP和SIO模塊分別管理目標應用中的數據管道和流的傳送服務。SIO同DEV模塊結合，使DEV通過SIO發送和接收數據。
線程間的通信和同步
DSP/BIOS II 中的線程間通信和同步模塊支持多任務。信號量(semaphores)是最主要的同步方式。任務運用信號量保持同步資源訪問的同步。訪問外設的數據緩沖區，以及訪問共享存儲區都是資源同步的典型事例。信號量還控制著多任務執行的同步。信號量由SEM模塊管理，而LCK模塊提供共享資源的判優和互斥。數據隊列可用于線程間通信。郵箱(mailbox)類似于數據隊列，能夠理想的完成任務通信。數據隊列由QUE模塊管理，郵箱模塊由MBX管理。
實時分析
實時分析(TRA)模塊在應用程序執行期間與DSP項目實時交互和診斷。LOG,STS和TRC模塊對這些功能進行管理。主機與目標板之間的數據傳輸能力對實施分析是非常關鍵的。DSP/BIOS提供HST和RTDX模塊來管理這些功能。CCS IDE中提供了以下六種實時分析工具：
—CPU負載圖
負載圖提供的是目標CPU的負載曲線。CPU負載的定義是除去執行最低優先級任務以外的時間量。最低優先級任務是只在其他線程都不運行時才執行的任務。因此，CPU負載包括從目標向主機傳送數據和執行附加后臺任務所需的時間。
——執行圖示
在執行圖示窗口中，我們可以看到各個線程的活動方式。執行圖的刷新速率可以通過RTA控制版設定。圖形中還包括了信號量的活動，周期性函數標記(tick)，和時鐘模塊標記。執行圖示能從整體上看到項目所有線程的活動狀態。
——主機通道控制
利用信道控制窗口可以把文件綁定在定義的主機通道上，啟動信道上的數據傳輸以及監測數據傳輸流量。
——信息記錄
選定某一記錄名，從此窗口可看到程序運行的信息記錄。主機從目標板獲取DSP/BIOS數據期間的記錄信息將顯示在此窗口中。開發者定義的記錄信息也顯示在窗口中。
——統計觀察
統計觀察窗可以計算出事件、變量出現的次數，給出其最大值，最小值和平均值，監測定時時間和變量的增值的實際值和期望值差。
——實時控制面板
它對運行時間中不同類型進行追蹤控制，在默認情況下，所有類型的跟蹤都是允許的。為跟蹤任意一種類型，必須使能全局主機(GLOBAL HOST)。通過實時改變控制版的屬性，還可以設定實時分析工具的刷新頻率。
——內核/對象觀察
內核/對象觀察窗可觀察當前的配置，狀態和運行在目標板上的DSP/BIOS對象狀況，此工具對動態和靜態配置的對象都可以進行觀測。
其它系統服務
DSP/BIOS II 仿照標準的C語言庫，把程序錯誤處理與終止，組裝到其它系統服務模塊。這些功能函數由SYS模塊管理。SYS中還包括各種printf()的變體形式。
原子(atomic)函數是非搶先式操作，比如AND, OR, INC, DEC, SET 和 CLEAR,使用它們時不允許中斷。原子函數由ATM模塊管理。
執行線程規劃
在DSP實時應用中，由外部時間或控制信號驅動功能函數，所以函數執行方式和執行時間對系統非常重要。DSP/BIOS支持多線程應用，線程可以定義不同的優先級，使高優先級線程可以搶斷低優先級的線程，而且不同的線程之間可以實現交互，比如阻塞，通信和同步。
如圖2，DSP/BIOS II的線程分為以下四種類型(優先級從高到低)
硬件中斷(HWI)：包括CLK功能。它的優先級數目依賴于DSP，一般為32個，由外部同步信號觸發。屬于完全執行方式(run-to-completion)。
軟件中斷(SWI)：可定義15個不同的優先級，通過調用SWI函數觸發。屬于完全執行方式，有執行截止時間。PRD是一種特殊的軟件中斷，它的執行基于多個設備定時器中斷或一些其它事件。
任務(TSK)：可定義15個不同的優先級。不同于SWI和HWI,它們在執行過程中為等待可用資源會被掛起。信號量，隊列和郵箱用于不同任務之間的通信與同步。任務具有四個狀態,就緒(ready)，執行(running)，阻塞(blocked)，終止(terminated)。
后臺線程(IDL)：空閑循環線程具有最低優先級，運行期間可以被任何其它線程搶先。當main()函數執行完后，IDL便開始運行。
還有一類數據通知函數，他們在有數據幀讀寫的時候被觸發用來通知讀寫器，并利用管道(PIP)或主機信道(HST)傳送數據。
低層函數功能
內核的低層函數嵌入在三個軟件模塊中，這三個模塊分別為：
MEM模塊：管理存儲區的分配。在DSP應用項目中，連接命令文件用作內存的分配，此文件通過配置工具生成，若要自己創建連接命令文件，則應包含前者。實時DSP硬件平臺包括幾種不同的存儲區：設備自身的RAM，零等待狀態外部SRAM和慢速DRAM等，以滿足不同的存儲需求。
SYS模塊：提供多種系統服務。SYS提供一系列基本的類似于標準C運行時間庫函數系統服務，比如系統停止，系統錯誤等。
QUE模塊：管理隊列。提供一類函數用于管理隊列列表。QUE模塊最常用于實現FIFO列表，其中的元素在尾部插入，頭部移出。
輸入輸出功能
DSP/BIOS應用項目的輸入輸出提供流(stream)，管道(pipe)和主機信道(host channel)三類處理對象。每一類對象有其自身的數據I/O管理模塊。
流是一種在應用程序I/O設備之間數據傳輸的信道，這種信道在輸入時為只讀，在輸出時為只寫，如圖3，流對所有I/O設備提供一個簡單的統一接口，這時應用項目可以不用關心每個獨立設備的操作細節。
流的一個重要方面是它的異步屬性。輸入輸出并行使用數據緩沖區。當處理當前緩沖時，可將新的輸入緩沖區寫滿。因僅交換數據指針而不用進行數據交換，流是高效的，使程序容易滿足實時的要求。SIO模塊對流實行管理，通過了DSP/BIOS編程接口的設備驅動器跟不同類型的設備進行交互。設備驅動器是管理設備的軟件模塊，遵從DEV提供的公用接口，流提出請求，驅動器就按照適合于特定設備的方式執行。
數據管道用于輸入輸出數據的緩存，管道提供一致的數據結構，可以用于驅動DSP設備和所有外設間的I/O，見圖4。與流相比，數據管道的開銷較大，它的通知機制是由管道管理器自動處理的。管道I/O操作一次只能處理一幀，盡管每一幀需要固定長度，但應用項目可以根據幀長度設置可變數目的數據。每一個數據傳送線程需要獨立的數據管道，每一個管道只有一對讀寫器提供點對點的通信。一般來講，管道的一端由HWI控制，另一端由SWI控制。管道也能在兩個應用線程之間傳輸數據。
主機信道對象允許應用程序在主機和目標板之間傳遞數據，它的輸入輸出是靜態配置的，而且每一個主機信道的內部實現都采用了管道對象方式。
結語
TI公司的TMS320系列DSP已被多家電子通信廠商作為信號處理的首選芯片,所以如何更好的使用，以實現整體項目的可靠性和最優化成為我們關心的問題。基于TMS320系列的DSP/BIOS II 為開發人員提供了合理的解決方案。DSP/BIOS的優越性主要體現在它的多任務規劃和實時分析上，而且CCS中提供的DSP/BIOS設置工具使開發人員可以可視化的進行程序編排。DSP/BIOS II 的應用可以有效的縮短項目開發周期。■
參考文獻
1 TI ,TMS320 DSP/BIOS User's Guide,SPRU423, February 2001.
2 TI,TMS320C5000 DSP/BIOS Application Programming Interface (API) Ref Guide spru404c, April 2001.
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