TMS320C55x嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)DSP/BIOS II

摘  要： DSP/BIOS 是運(yùn)行在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中的一個(gè)小型軟件，它為開發(fā)者提供對(duì)程序的控制執(zhí)行和對(duì)變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。而且可以合理地對(duì)實(shí)時(shí)多線程系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間規(guī)劃。本文對(duì)DSP/BIOS II的基本特征與應(yīng)用作了介紹。
關(guān)鍵詞： 嵌入式；實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)；DSP/BIOS II；線程
2002年5月B版

引言
現(xiàn)在，由于復(fù)雜的硬件功能已經(jīng)集成到標(biāo)準(zhǔn)集成電路中，系統(tǒng)開發(fā)人員首先應(yīng)該知道如何選擇合適的芯片，然后基于此硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者有兩種選擇：使用專用集成電路或可編程DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。相比之下，可編程DSP有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
可擴(kuò)充性：設(shè)計(jì)者可以根據(jù)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(shù)。
可升級(jí)性：將硬件的升級(jí)轉(zhuǎn)化成比較容易升級(jí)的軟件改動(dòng)。
使用可編程DSP時(shí)，必須對(duì)芯片的各種資源(例如CPU,存儲(chǔ)區(qū)，外設(shè)等)加以管理規(guī)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(qiáng)的實(shí)時(shí)分析和任務(wù)實(shí)時(shí)管理能力，可以有效的提高項(xiàng)目的開發(fā)效率，尤其表現(xiàn)在需要實(shí)時(shí)多任務(wù)的大型系統(tǒng)中。圖1為DSP/BIOS的部件結(jié)構(gòu)。

DSP/BIOS II簡述
TI公司的DSP/BIOS II 是在DSP/BIOS I 基礎(chǔ)上的擴(kuò)展。它支持更多的軟件模塊，通過修改內(nèi)核提供搶先式多任務(wù)服務(wù)；它把傳統(tǒng)并行處理系統(tǒng)的內(nèi)核服務(wù)集成為可測試內(nèi)核；它增加了設(shè)備獨(dú)立的I/O數(shù)據(jù)流模型，繼續(xù)保留已有的數(shù)據(jù)管道；它增加了動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配與內(nèi)存管理。
TI的開發(fā)平臺(tái)CCS IDE 2.0中集成了DSP/BIOS II，可以對(duì)程序進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與分析，提高應(yīng)用程序開發(fā)的可靠性?？梢栽贑CS插件中實(shí)時(shí)觀察DSP/BIOS內(nèi)核中各線程的執(zhí)行狀態(tài)與對(duì)象的當(dāng)前屬性。通過設(shè)置工具，開發(fā)者可以對(duì)各個(gè)模塊實(shí)行配置。

DSP/BIOS II 核心API技術(shù)
目標(biāo)應(yīng)用程序通過調(diào)用DSP/BIOS II的API來獲得運(yùn)行時(shí)的服務(wù)。一個(gè)單個(gè)DSP/BIOS II 模塊可以管理多種類的內(nèi)核對(duì)象，并且依據(jù)全局參量的設(shè)定來控制整個(gè)行為。DSP/BIOS II 可以歸納為六大種類：
內(nèi)核執(zhí)行線程


圖1  DSP/BIOS 部件結(jié)構(gòu)圖

圖2  線程優(yōu)先級(jí)示意圖

圖3  數(shù)據(jù)流示意圖

圖4 數(shù)據(jù)管道示意圖
DSP/BIOS II提供四類不同的執(zhí)行線程。每一類線程又具有不同的執(zhí)行、搶先和懸掛特性。DSP/BIOS II 支持兩個(gè)高優(yōu)先級(jí)的中斷線程和事先備好的后臺(tái)空閑過程循環(huán)。內(nèi)核執(zhí)行線程通過HWI, SWI和IDL模塊進(jìn)行管理。另外，DSP/BIOS II新提供了多任務(wù)線程類，能較好的完成任務(wù)間的同步，它由TSK模塊管理，在任何執(zhí)行時(shí)刻為懸掛和恢復(fù)執(zhí)行同步，包括調(diào)整自身或其他任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。這種同步化的任務(wù)給并發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)。
硬件抽象
DSP/BIOS II 提供硬件的邏輯接口。它獨(dú)立于硬件實(shí)現(xiàn)。它對(duì)硬件部分的訪問、配置，內(nèi)存映射、片內(nèi)定時(shí)器和硬件中斷等進(jìn)行抽象，簡化了應(yīng)用的移植。它通過可視化的設(shè)置工具定義內(nèi)存映射、中斷向量表，對(duì)定時(shí)器編程，和完成動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配與釋放。
設(shè)備獨(dú)立I/O
設(shè)備獨(dú)立I/O模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，傳輸可以在DSP與外設(shè)之間和多線程之間進(jìn)行。DSP/BIOS II 支持?jǐn)?shù)據(jù)管道(pipe)和數(shù)據(jù)流(stream)兩種傳送方式。數(shù)據(jù)管道是在讀寫線程之間快速傳送數(shù)據(jù)的小型統(tǒng)一部件。數(shù)據(jù)流為緩沖方案增加了靈活性使之適應(yīng)更廣的需求。數(shù)據(jù)流依靠多個(gè)潛在的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器，這種設(shè)備驅(qū)動(dòng)器封裝了設(shè)備獨(dú)立的屬性與方法。在數(shù)據(jù)通過堆疊(stacking)機(jī)制傳送時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)器能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)處理操作，驅(qū)動(dòng)器在數(shù)據(jù)通道中實(shí)行流水線處理。PIP和SIO模塊分別管理目標(biāo)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)管道和流的傳送服務(wù)。SIO同DEV模塊結(jié)合，使DEV通過SIO發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
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(wù)。信號(hào)量(semaphores)是最主要的同步方式。任務(wù)運(yùn)用信號(hào)量保持同步資源訪問的同步。訪問外設(shè)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以及訪問共享存儲(chǔ)區(qū)都是資源同步的典型事例。信號(hào)量還控制著多任務(wù)執(zhí)行的同步。信號(hào)量由SEM模塊管理，而LCK模塊提供共享資源的判優(yōu)和互斥。數(shù)據(jù)隊(duì)列可用于線程間通信。郵箱(mailbox)類似于數(shù)據(jù)隊(duì)列，能夠理想的完成任務(wù)通信。數(shù)據(jù)隊(duì)列由QUE模塊管理，郵箱模塊由MBX管理。
實(shí)時(shí)分析
實(shí)時(shí)分析(TRA)模塊在應(yīng)用程序執(zhí)行期間與DSP項(xiàng)目實(shí)時(shí)交互和診斷。LOG,STS和TRC模塊對(duì)這些功能進(jìn)行管理。主機(jī)與目標(biāo)板之間的數(shù)據(jù)傳輸能力對(duì)實(shí)施分析是非常關(guān)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(shí)時(shí)分析工具：
—CPU負(fù)載圖
負(fù)載圖提供的是目標(biāo)CPU的負(fù)載曲線。CPU負(fù)載的定義是除去執(zhí)行最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)以外的時(shí)間量。最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)是只在其他線程都不運(yùn)行時(shí)才執(zhí)行的任務(wù)。因此，CPU負(fù)載包括從目標(biāo)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)和執(zhí)行附加后臺(tái)任務(wù)所需的時(shí)間。
——執(zhí)行圖示
在執(zhí)行圖示窗口中，我們可以看到各個(gè)線程的活動(dòng)方式。執(zhí)行圖的刷新速率可以通過RTA控制版設(shè)定。圖形中還包括了信號(hào)量的活動(dòng)，周期性函數(shù)標(biāo)記(tick)，和時(shí)鐘模塊標(biāo)記。執(zhí)行圖示能從整體上看到項(xiàng)目所有線程的活動(dòng)狀態(tài)。
——主機(jī)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(jī)通道上，啟動(dòng)信道上的數(shù)據(jù)傳輸以及監(jiān)測數(shù)據(jù)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(yùn)行的信息記錄。主機(jī)從目標(biāo)板獲取DSP/BIOS數(shù)據(jù)期間的記錄信息將顯示在此窗口中。開發(fā)者定義的記錄信息也顯示在窗口中。
——統(tǒng)計(jì)觀察
統(tǒng)計(jì)觀察窗可以計(jì)算出事件、變量出現(xiàn)的次數(shù)，給出其最大值，最小值和平均值，監(jiān)測定時(shí)時(shí)間和變量的增值的實(shí)際值和期望值差。
——實(shí)時(shí)控制面板
它對(duì)運(yùn)行時(shí)間中不同類型進(jìn)行追蹤控制，在默認(rèn)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(jī)(GLOBAL HOST)。通過實(shí)時(shí)改變控制版的屬性，還可以設(shè)定實(shí)時(shí)分析工具的刷新頻率。
——內(nèi)核/對(duì)象觀察
內(nèi)核/對(duì)象觀察窗可觀察當(dāng)前的配置，狀態(tài)和運(yùn)行在目標(biāo)板上的DSP/BIOS對(duì)象狀況，此工具對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)配置的對(duì)象都可以進(jìn)行觀測。
其它系統(tǒng)服務(wù)
DSP/BIOS II 仿照標(biāo)準(zhǔn)的C語言庫，把程序錯(cuò)誤處理與終止，組裝到其它系統(tǒng)服務(wù)模塊。這些功能函數(shù)由SYS模塊管理。SYS中還包括各種printf()的變體形式。
原子(atomic)函數(shù)是非搶先式操作，比如AND, OR, INC, DEC, SET 和 CLEAR,使用它們時(shí)不允許中斷。原子函數(shù)由ATM模塊管理。

執(zhí)行線程規(guī)劃
在DSP實(shí)時(shí)應(yīng)用中，由外部時(shí)間或控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)功能函數(shù)，所以函數(shù)執(zhí)行方式和執(zhí)行時(shí)間對(duì)系統(tǒng)非常重要。DSP/BIOS支持多線程應(yīng)用，線程可以定義不同的優(yōu)先級(jí)，使高優(yōu)先級(jí)線程可以搶斷低優(yōu)先級(jí)的線程，而且不同的線程之間可以實(shí)現(xiàn)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(yōu)先級(jí)從高到低)
硬件中斷(HWI)：包括CLK功能。它的優(yōu)先級(jí)數(shù)目依賴于DSP，一般為32個(gè)，由外部同步信號(hào)觸發(fā)。屬于完全執(zhí)行方式(run-to-completion)。
軟件中斷(SWI)：可定義15個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)，通過調(diào)用SWI函數(shù)觸發(fā)。屬于完全執(zhí)行方式，有執(zhí)行截止時(shí)間。PRD是一種特殊的軟件中斷，它的執(zhí)行基于多個(gè)設(shè)備定時(shí)器中斷或一些其它事件。
任務(wù)(TSK)：可定義15個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)。不同于SWI和HWI,它們?cè)趫?zhí)行過程中為等待可用資源會(huì)被掛起。信號(hào)量，隊(duì)列和郵箱用于不同任務(wù)之間的通信與同步。任務(wù)具有四個(gè)狀態(tài),就緒(ready)，執(zhí)行(running)，阻塞(blocked)，終止(terminated)。
后臺(tái)線程(IDL)：空閑循環(huán)線程具有最低優(yōu)先級(jí)，運(yùn)行期間可以被任何其它線程搶先。當(dāng)main()函數(shù)執(zhí)行完后，IDL便開始運(yùn)行。
還有一類數(shù)據(jù)通知函數(shù)，他們?cè)谟袛?shù)據(jù)幀讀寫的時(shí)候被觸發(fā)用來通知讀寫器，并利用管道(PIP)或主機(jī)信道(HST)傳送數(shù)據(jù)。

低層函數(shù)功能
內(nèi)核的低層函數(shù)嵌入在三個(gè)軟件模塊中，這三個(gè)模塊分別為：
MEM模塊：管理存儲(chǔ)區(qū)的分配。在DSP應(yīng)用項(xiàng)目中，連接命令文件用作內(nèi)存的分配，此文件通過配置工具生成，若要自己創(chuàng)建連接命令文件，則應(yīng)包含前者。實(shí)時(shí)DSP硬件平臺(tái)包括幾種不同的存儲(chǔ)區(qū)：設(shè)備自身的RAM，零等待狀態(tài)外部SRAM和慢速DRAM等，以滿足不同的存儲(chǔ)需求。
SYS模塊：提供多種系統(tǒng)服務(wù)。SYS提供一系列基本的類似于標(biāo)準(zhǔn)C運(yùn)行時(shí)間庫函數(shù)系統(tǒng)服務(wù)，比如系統(tǒng)停止，系統(tǒng)錯(cuò)誤等。
QUE模塊：管理隊(duì)列。提供一類函數(shù)用于管理隊(duì)列列表。QUE模塊最常用于實(shí)現(xiàn)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(yīng)用項(xiàng)目的輸入輸出提供流(stream)，管道(pipe)和主機(jī)信道(host channel)三類處理對(duì)象。每一類對(duì)象有其自身的數(shù)據(jù)I/O管理模塊。
流是一種在應(yīng)用程序I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺?，這種信道在輸入時(shí)為只讀，在輸出時(shí)為只寫，如圖3，流對(duì)所有I/O設(shè)備提供一個(gè)簡單的統(tǒng)一接口，這時(shí)應(yīng)用項(xiàng)目可以不用關(guān)心每個(gè)獨(dú)立設(shè)備的操作細(xì)節(jié)。
流的一個(gè)重要方面是它的異步屬性。輸入輸出并行使用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)處理當(dāng)前緩沖時(shí)，可將新的輸入緩沖區(qū)寫滿。因僅交換數(shù)據(jù)指針而不用進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，流是高效的，使程序容易滿足實(shí)時(shí)的要求。SIO模塊對(duì)流實(shí)行管理，通過了DSP/BIOS編程接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器跟不同類型的設(shè)備進(jìn)行交互。設(shè)備驅(qū)動(dòng)器是管理設(shè)備的軟件模塊，遵從DEV提供的公用接口，流提出請(qǐng)求，驅(qū)動(dòng)器就按照適合于特定設(shè)備的方式執(zhí)行。
數(shù)據(jù)管道用于輸入輸出數(shù)據(jù)的緩存，管道提供一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以用于驅(qū)動(dòng)DSP設(shè)備和所有外設(shè)間的I/O，見圖4。與流相比，數(shù)據(jù)管道的開銷較大，它的通知機(jī)制是由管道管理器自動(dòng)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(yīng)用項(xiàng)目可以根據(jù)幀長度設(shè)置可變數(shù)目的數(shù)據(jù)。每一個(gè)數(shù)據(jù)傳送線程需要獨(dú)立的數(shù)據(jù)管道，每一個(gè)管道只有一對(duì)讀寫器提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(gè)應(yīng)用線程之間傳輸數(shù)據(jù)。
主機(jī)信道對(duì)象允許應(yīng)用程序在主機(jī)和目標(biāo)板之間傳遞數(shù)據(jù)，它的輸入輸出是靜態(tài)配置的，而且每一個(gè)主機(jī)信道的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)都采用了管道對(duì)象方式。

結(jié)語
TI公司的TMS320系列DSP已被多家電子通信廠商作為信號(hào)處理的首選芯片,所以如何更好的使用，以實(shí)現(xiàn)整體項(xiàng)目的可靠性和最優(yōu)化成為我們關(guān)心的問題?；赥MS320系列的DSP/BIOS II 為開發(fā)人員提供了合理的解決方案。DSP/BIOS的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在它的多任務(wù)規(guī)劃和實(shí)時(shí)分析上，而且CCS中提供的DSP/BIOS設(shè)置工具使開發(fā)人員可以可視化的進(jìn)行程序編排。DSP/BIOS II 的應(yīng)用可以有效的縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。■

參考文獻(xiàn)
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.