UCOS-II 操作系統(tǒng)在數(shù)碼相框中的應(yīng)用

摘要：傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中廣泛采用單任務(wù)順序機(jī)制，它帶來(lái)的重要問(wèn)題是編程復(fù)雜，同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。為此，引入了UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)對(duì)多任務(wù)進(jìn)行管理與調(diào)度，實(shí)踐證明該系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)的管理和調(diào)度有著卓越的性能和穩(wěn)定性。本文成功將該系統(tǒng)運(yùn)用于數(shù)碼相框系統(tǒng)，詳細(xì)描述了UCOS-II操作系統(tǒng)在ZEVIO1020雙核處理器的移植過(guò)程，并且對(duì)于多任務(wù)的調(diào)度處理，設(shè)計(jì)了基于兩級(jí)狀態(tài)機(jī)的通信機(jī)制，解決了多任務(wù)之間消息處理復(fù)雜性的問(wèn)題，最后給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1、引言

近年來(lái)，隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電子產(chǎn)品層出不窮，對(duì)于那些具有眾多功能，但按鍵數(shù)目無(wú)法滿足要求的設(shè)備來(lái)說(shuō)，選擇一個(gè)好的操作系統(tǒng)和設(shè)計(jì)一套合理的消息處理機(jī)制，已經(jīng)成為研發(fā)人員研究的一個(gè)課題。本文以此為背景，研究了UCOS-II操作系統(tǒng)在數(shù)碼相框中的應(yīng)用，詳細(xì)描述了UCOS-II操作系統(tǒng)在ZEVIO1020雙核處理器上的移植，并且根據(jù)數(shù)碼相框多任務(wù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套完整的消息處理機(jī)制。實(shí)踐證明，采取本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以靈活的完成任務(wù)間的調(diào)度和切換。

2、系統(tǒng)概述

數(shù)碼相框的主要特色是圖片顯示清晰，圖片顯示效果多種多樣，同時(shí)還具有視頻播放、音頻播放、JPEG圖片解碼等附加功能。在本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要分為六個(gè)模塊:總控模塊、GUI界面模塊、圖片顯示模塊、視頻模塊、音頻模塊、JPEG解碼模塊。總控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)其它模塊的管理與控制。圖片顯示模塊通過(guò)ZEVIO1020雙核處理器的3D圖像內(nèi)核處理，實(shí)現(xiàn)多種三維的動(dòng)態(tài)顯示效果，通過(guò)對(duì)定時(shí)器設(shè)置的改變，實(shí)現(xiàn)圖片播放速率的調(diào)整。視頻模塊和JPEG解碼模塊因?yàn)閷?duì)速度的要求較高，使用高速數(shù)據(jù)傳輸通道DMA來(lái)實(shí)現(xiàn)ARM和DSP之間的雙核解碼。音頻模塊可以解碼MP3，WMA等多種音頻格式。UCOS-II操作系統(tǒng)的任務(wù)就是在不同狀態(tài)下，根據(jù)不同的鍵盤輸入消息實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊間的靈活調(diào)度。

3、基于ZEVIO1020的系統(tǒng)硬件平臺(tái)

ZEVIO1020多媒體應(yīng)用處理器是美國(guó)LSILogic公司發(fā)布的第一款基于ZEVIO架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)芯片。具備低功耗、更高級(jí)圖像和數(shù)字音/視頻處理功能。ZEVIO1020處理器高度集成，包括通用處理的ARM9內(nèi)核，多媒體處理的ZSP400內(nèi)核，此外還包括了一個(gè)3D圖像內(nèi)核和一個(gè)2D/3DMIDI聲音核，它也集成了一個(gè)視頻DAC(數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器)用于直接輸出到電視和一個(gè)SDIO(安全數(shù)字輸入/輸出)卡槽用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或者額外的周邊擴(kuò)展。

ZEVIO1020處理器的開發(fā)平臺(tái)如圖1所示，它的通用處理內(nèi)核ARM926EJ-S的工作主頻為150MHz，作為系統(tǒng)主處理器，可以完成控制和數(shù)據(jù)處理工作;ZSP400DSP處理器為視頻解碼和JPEG解碼工作提供了高效運(yùn)行平臺(tái)，工作主頻為150MHz。除此之外，ZSP400具有雙MAC、雙算法邏輯單元(ALU)DSP核，每周期4指令，正交的載入/存儲(chǔ)指令集的特點(diǎn)。同時(shí)在ZEVIO1020的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，DMA提供了高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，能夠完成ARM處理器和DSP處理器雙核之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 ZEVIO1020平臺(tái)體系架構(gòu)

4、UCOS-II在ZEVIO1020上的移植

UCOS-II操作系統(tǒng)是完全可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核，可以同時(shí)管理64個(gè)任務(wù)，函數(shù)的調(diào)用和服務(wù)時(shí)間具有確定性。其內(nèi)核提供的任務(wù)調(diào)度與管理，時(shí)間管理，任務(wù)間同步與通信，內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。最小內(nèi)核編譯可以達(dá)到2KB。UCOS-II的移植主要是編寫和處理器有關(guān)的代碼，以及根據(jù)處理器設(shè)置中斷向量表，提供給操作系統(tǒng)一個(gè)時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘。

OS_CPU_A.ASM是需要用戶根據(jù)不同處理器的體系結(jié)構(gòu)編寫的匯編文件。該文件包括了四個(gè)函數(shù):

OSSTartHighRdy()、OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。OSStartHighRdy()的作用是運(yùn)行就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。OSCtxSw()是實(shí)現(xiàn)CPU在正常運(yùn)行時(shí)任務(wù)間的切換，即對(duì)當(dāng)前任務(wù)堆棧的保存和對(duì)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)堆棧的彈出，使最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲取CPU的控制權(quán)。OSIntCtxSw()是在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行切換功能的函數(shù)。OSTickISR()是系統(tǒng)時(shí)鐘的中斷服務(wù)程序。該程序執(zhí)行的頻率為100HZ，主要功能是檢查是否有由于延時(shí)而被掛起的任務(wù)成為就緒任務(wù)，如果有就調(diào)用OSIntCtxSw()進(jìn)行任務(wù)切換，從而運(yùn)行高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。OS_CPU.C中主要編寫任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit()。

中斷向量表是系統(tǒng)產(chǎn)生中斷處理的索引表，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的中斷類型引導(dǎo)它們進(jìn)入不同的中斷處理函數(shù)。ZEVIO1020雙核處理器提供了多種不同類型的中斷處理，主要分為兩類:IRQ中斷和FIQ中斷。FIQ中斷是快速中斷處理函數(shù)，執(zhí)行速度快，優(yōu)先級(jí)高，一般用于重要和對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的中斷處理。IRQ中斷是普通的中斷處理函數(shù)，一般的中斷處理都?xì)w屬于這種類型的中斷。在各種中斷同時(shí)觸發(fā)的情況下，中斷程序會(huì)根據(jù)各種中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)定來(lái)進(jìn)行比較，執(zhí)行優(yōu)先級(jí)最高的中斷處理程序。對(duì)于UCOS-II的操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘作為操作系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍，供操作系統(tǒng)調(diào)用時(shí)間函數(shù)使用。ZEVIO1020有4個(gè)Timer可供選擇，在這里選用Timer1作為系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為100HZ且為FIQ中斷。中斷處理程序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2中斷處理流程圖

5、軟件層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1、系統(tǒng)任務(wù)層的組成和優(yōu)先級(jí)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)任務(wù)層并行存在以下六個(gè)任務(wù):總控任務(wù)、音頻解碼任務(wù)、視頻解碼任務(wù)、JPEG圖片解碼任務(wù)、GUI界面任務(wù)，圖片顯示任務(wù)。每個(gè)任務(wù)均有以下三部分組成:應(yīng)用程序、任務(wù)的堆棧以及任務(wù)的狀態(tài)機(jī)。任務(wù)堆棧用以存儲(chǔ)CPU寄存器內(nèi)容。當(dāng)某任務(wù)由運(yùn)行態(tài)變?yōu)槠渌麪顟B(tài)時(shí)，CPU寄存器內(nèi)容壓入相應(yīng)任務(wù)堆棧，反之則將相應(yīng)任務(wù)堆棧內(nèi)容置入CPU寄存器。任務(wù)的狀態(tài)機(jī)記錄了當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)有新的消息轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)時(shí)，任務(wù)可根據(jù)狀態(tài)機(jī)查詢相應(yīng)的狀態(tài)，來(lái)決定下一步的具體操作。操作系統(tǒng)也可以查詢?nèi)蝿?wù)的狀態(tài)機(jī)來(lái)獲得當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)。

優(yōu)先級(jí)的設(shè)定是根據(jù)任務(wù)的重要性和任務(wù)的實(shí)時(shí)性需求來(lái)定的?？偪厝蝿?wù)優(yōu)先級(jí)最高，視頻任務(wù)的實(shí)時(shí)性大于音頻任務(wù)的實(shí)時(shí)性，所以將音頻的優(yōu)先級(jí)排在視頻解碼任務(wù)的后面。對(duì)于其他幾個(gè)任務(wù)一般沒(méi)有太多的約束，我們可以任意安排其優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)從高到底的順序排列:總控任務(wù)，視頻解碼任務(wù)，音頻解碼任務(wù)，JPEG解碼任務(wù)，圖片顯示任務(wù)，GUI界面任務(wù)。

5.2、系統(tǒng)任務(wù)間的消息通信機(jī)制與狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

在數(shù)碼相框這個(gè)系統(tǒng)中，消息的類型主要有兩類:

一是外部輸入(鍵盤)轉(zhuǎn)化的消息;二是任務(wù)之間相互傳遞的消息。第一類消息不知道消息的接受方，直接交給總控任務(wù)來(lái)處理，總控任務(wù)通過(guò)查詢狀態(tài)機(jī)獲得各個(gè)任務(wù)目前的運(yùn)行情況后，進(jìn)行內(nèi)部消息的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)任務(wù)，由目標(biāo)任務(wù)來(lái)具體處理。目標(biāo)任務(wù)接受到總控任務(wù)傳送過(guò)來(lái)的內(nèi)部消息之后，查詢自身的狀態(tài)機(jī)，執(zhí)行相應(yīng)的處理。每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)時(shí)間點(diǎn)來(lái)查詢新的消息。在音頻解碼任務(wù)中這個(gè)時(shí)間點(diǎn)設(shè)在解碼數(shù)據(jù)流后填充buffer和播放buffer互換的時(shí)刻。圖片顯示任務(wù)是一個(gè)不斷循環(huán)的顯示過(guò)程，利用每次循環(huán)結(jié)束的時(shí)刻查詢新的消息。第二類消息是任務(wù)之間相互傳遞的消息，任務(wù)知道消息的接受方。因此在兩個(gè)需要相互通信的任務(wù)之間直接建立消息郵箱和信號(hào)量進(jìn)行同步和通信。

狀態(tài)機(jī)是記錄任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的一種工具，對(duì)于數(shù)碼相框這個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在不同的運(yùn)行狀況下對(duì)于相同按鍵的處理是不同的，所以必須通過(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度和處理。本文的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)采取分塊的思想，即一級(jí)一級(jí)從上往下對(duì)消息進(jìn)行處理。上級(jí)的狀態(tài)機(jī)不需要對(duì)消息的內(nèi)容進(jìn)行具體的處理，只要明確傳遞給下面的哪一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)具體處理。針對(duì)數(shù)碼相框這個(gè)產(chǎn)品，本文設(shè)計(jì)了兩級(jí)狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。一級(jí)是總控任務(wù)的狀態(tài)機(jī)，二級(jí)是各個(gè)應(yīng)用程序的狀態(tài)機(jī)?？偪厝蝿?wù)的狀態(tài)機(jī)，主要用來(lái)對(duì)外部消息的轉(zhuǎn)發(fā);應(yīng)用程序的狀態(tài)機(jī)主要處理啟動(dòng)，退出，暫停等具體操作。如圖3所示，總控任務(wù)查詢到有新的消息進(jìn)來(lái)后，首先查詢當(dāng)前各個(gè)任務(wù)的運(yùn)行情況，然后判別消息的內(nèi)容，將消息轉(zhuǎn)換成內(nèi)部消息分發(fā)給當(dāng)前任務(wù)或者即將運(yùn)行的任務(wù)。應(yīng)用程序的任務(wù)狀態(tài)機(jī)接受到總控狀態(tài)機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的內(nèi)部消息之后，也是查詢自身的狀態(tài)機(jī)，并且檢查消息的正確性，然后根據(jù)自身的運(yùn)行狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作。具體如圖4所示。

圖3總控任務(wù)的狀態(tài)機(jī)流程

圖4　應(yīng)用程序的狀態(tài)機(jī)流程圖

5.3、數(shù)碼相框系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)過(guò)程

系統(tǒng)上電后從flash中執(zhí)行boot.s啟動(dòng)代碼，boot.s的主要作用就是初始化SDRAM，設(shè)置PLL，將保存在flash中的CODE拷貝到SDRAM中。因?yàn)閒lash中的數(shù)據(jù)可以永久保存，不會(huì)因?yàn)榈綦姸В鳶DRAM則不行。

在主函數(shù)main中初始化UCOS-II操作系統(tǒng)，創(chuàng)建總控任務(wù)、視頻解碼任務(wù)、音頻解碼任務(wù)、圖片顯示任務(wù)、GUI界面任務(wù)，同時(shí)創(chuàng)建信號(hào)量和mailbox等系統(tǒng)資源等待應(yīng)用程序調(diào)用，啟動(dòng)UCOS-II操作系統(tǒng)。此后CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)將CPU的控制權(quán)首先給予優(yōu)先級(jí)最高的總控任務(wù)。

總控任務(wù)運(yùn)行后，驅(qū)動(dòng)所有外接設(shè)備，包括LCD驅(qū)動(dòng)、SPU驅(qū)動(dòng)、GUI驅(qū)動(dòng)、Timer驅(qū)動(dòng)、雙核的驅(qū)動(dòng)，開啟必要的中斷位，隨后總控任務(wù)開始輪詢外部消息，有消息進(jìn)來(lái)時(shí)根據(jù)上述描述的狀態(tài)機(jī)，傳遞給其他任務(wù)，運(yùn)行其他任務(wù)，同時(shí)保證每隔5個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍重新輪詢一次消息隊(duì)列，處理新的外部消息，沒(méi)有新的消息立即釋放CPU的控制權(quán)，返回正在運(yùn)行的任務(wù)。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文討論了UCOS-II操作系統(tǒng)在ZEVIO1020上的移植過(guò)程，闡述了移植過(guò)程中的幾個(gè)主要步驟，同時(shí)針對(duì)數(shù)碼相框這個(gè)電子消費(fèi)產(chǎn)品給出了整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)的設(shè)計(jì)方法以及如何進(jìn)行任務(wù)間的消息傳遞方案。解決了系統(tǒng)中多任務(wù)之間相互切換和多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行的困窘。充分挖掘了UCOS-II操作系統(tǒng)的特性，靈活運(yùn)用了操作系統(tǒng)的資源并且予以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，各種任務(wù)模塊可以在預(yù)想的方案中實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)度。

圖5　基于UCOS-II操作系統(tǒng)的數(shù)碼相框?qū)嵨飯D