如何將RTOS添加到ZYNQ SoC設(shè)計(jì)中

在尋求獲得來自處理系統(tǒng)內(nèi)的賽靈思Zynq?-7000全可編程SoC的最大利益，操作系統(tǒng)將讓你更不是一個(gè)簡單的裸機(jī)解決方案。任何開發(fā)ZYNQ SoC設(shè)計(jì)有大量的操作系統(tǒng)可供選擇，并根據(jù)最終應(yīng)用程序，你可以選擇一個(gè)實(shí)時(shí)版本。一個(gè)RTOS是您最好的選擇，如果你是在工業(yè)，軍事，航空航天或在響應(yīng)時(shí)間和可靠的性能要求，以防止生命或傷亡的，或者實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的績效目標(biāo)等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中使用的SoC ZYNQ。

為了得到一個(gè)感覺如何最好地實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)添加到我們的ZYNQ SoC系統(tǒng)中，我們將使用最流行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一左右，在μC/ OS-III Micrium的。這RTOS或更早的版本中它已經(jīng)用在了一些非常令人興奮的系統(tǒng)，包括火星的好奇心流動(dòng)站。目前最新的版本是在被認(rèn)證為MISRA-C，DO178B A級(jí)，SIL3 / 4和IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它應(yīng)該有一個(gè)廣泛的吸引力許多ZYNQ SoC的用戶的過程。但在此之前進(jìn)入的實(shí)施細(xì)則，這是有幫助的審查實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)。

什么是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)？

是什么讓一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)有何不同？井，一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是確定性的，這意味著該系統(tǒng)限定的期限內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)。這個(gè)決定可以是一個(gè)重要的原因，例如，如果最終應(yīng)用正在監(jiān)控工業(yè)過程，并具有以響應(yīng)事件在指定的時(shí)間周期內(nèi)，如將是一種用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的情況。

RTOS進(jìn)一步細(xì)分基于它們來滿足這些最后期限的能力。這種分類產(chǎn)生了三種不同類型的RTOS，其中每一個(gè)不同的地址的最后期限的概念。在硬的RTOS，缺少一個(gè)期限被看作是一個(gè)系統(tǒng)故障。這不是為公司RTOS，其中偶爾錯(cuò)過截止時(shí)間是可以接受的情況。在軟的RTOS，同時(shí)，缺少一個(gè)期限減少的結(jié)果的有效性，但該系統(tǒng)作為一個(gè)整體能容忍此。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)圍繞運(yùn)行的任務(wù)（有時(shí)稱為工藝），其每一個(gè)執(zhí)行所需功能的概念。例如，一個(gè)任務(wù)可能讀取數(shù)據(jù)通過接口或?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。一個(gè)簡單的系統(tǒng)可以采用只有一個(gè)任務(wù)，但它更可能為多個(gè)任務(wù)，以在處理器上在任一時(shí)刻運(yùn)行。這些任務(wù)之間的切換被稱為“上下文切換”，它要求與每個(gè)任務(wù)相關(guān)聯(lián)的處理器的狀態(tài)被存儲(chǔ)和添加到任務(wù)堆棧中。

確定的方法，其任務(wù)是下一個(gè)要運(yùn)行是由內(nèi)核（管理從軟件輸入/輸出請求，并將它們轉(zhuǎn)換成用于所述中央處理單元的數(shù)據(jù)處理的指令和在所述處理器的功能元件的RTOS的核心）來控制。任務(wù)調(diào)度可以是復(fù)雜的，特別是如果我們希望避免死鎖的狀態(tài)，其中兩個(gè)或多個(gè)任務(wù)鎖定彼此出來。的兩個(gè)基本方法是時(shí)間共享和事件驅(qū)動(dòng)的。分時(shí)，每個(gè)任務(wù)獲取處理器上的專用時(shí)隙。更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以被分配多個(gè)時(shí)隙。此時(shí)間片是通過常規(guī)的中斷或定時(shí)器控制，并且通常被稱為“round-robin調(diào)度”。隨著一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的溶液，任務(wù)只切換，當(dāng)一個(gè)具有較高優(yōu)先級(jí)的運(yùn)行必需的。這通常被稱為“搶占式調(diào)度”。

死鎖，資源共享和饑餓

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程需要使用相同的資源，如UART，ADC或DAC-它有可能為他們的同時(shí)請求該資源。在這種情況下，訪問需要為了防止?fàn)幱帽豢刂啤＿@是如何管理是很重要的。如果沒有正確的管理，問題，如“死鎖”或“饑餓”可能發(fā)生，從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

死鎖當(dāng)一個(gè)進(jìn)程持有一個(gè)資源而無法釋放它發(fā)生，因?yàn)樗菬o法完成的任務(wù)。它要求當(dāng)前正由另一個(gè)過程中的另一個(gè)的資源。由于該系統(tǒng)將保持在該狀態(tài)下無限期地，該應(yīng)用程序被認(rèn)為是僵持。你可以想像，僵局是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)自己在一個(gè)糟糕的情況。

發(fā)生饑荒時(shí)，一個(gè)進(jìn)程無法運(yùn)行，因?yàn)樗枰馁Y源總是分配給另一個(gè)進(jìn)程。

這可能不會(huì)令你感到驚訝地聽到，已經(jīng)出現(xiàn)了很多東西寫就這些問題，多年來，有很多提出的解決方案，如德克爾的算法，一個(gè)經(jīng)典的修復(fù)程序并發(fā)編程的互斥問題。最常用的方法來處理這些情況下是信號(hào)量，這通常是兩種類型的二進(jìn)制信號(hào)和計(jì)數(shù)信號(hào)量的。

一般地，每個(gè)資源有分配給它的一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)。一個(gè)請求進(jìn)程將等待資源執(zhí)行之前變得可用。一旦任務(wù)完成，請求進(jìn)程將釋放資源。這些信號(hào)量通常被稱為WAIT和SIGNAL操作。一個(gè)進(jìn)程將等待一個(gè)信號(hào)量。如果資源是自由的，該過程將被考慮到資源的控制，它會(huì)運(yùn)行，直到完成，此時(shí)它會(huì)SIGNAL完成。然而，如果當(dāng)處理等待對信號(hào)執(zhí)行的資源已被占用，則該過程將被掛起，直到資源變得自由。這可以盡快當(dāng)前正在執(zhí)行的處理結(jié)束發(fā)生，但有可能是一個(gè)較長的等待，如果這個(gè)過程是由較高優(yōu)先級(jí)的一個(gè)進(jìn)程搶占。一類特殊的名為互斥體（從術(shù)語“互斥”派生）二進(jìn)制信號(hào)量經(jīng)常被用來防止優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。

計(jì)數(shù)信號(hào)以同樣的方式作為二進(jìn)制信號(hào)量的工作，但它們被使用時(shí)，一個(gè)特定類型的資源的一個(gè)以上的實(shí)例是可用的（例如，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）。由于每個(gè)資源被分配給一個(gè)過程，計(jì)數(shù)被減小，以顯示剩余的可用資源的數(shù)量。當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)零，有沒有更多的可用資源，并且請求進(jìn)程將被掛起，直到資源之一被釋放。

它往往是必要的過程來與彼此通信。有多種方法可以采用，這是最簡單的是，如上所述，以使用一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)。更復(fù)雜的技術(shù)包括消息隊(duì)列。有了消息隊(duì)列，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程希望將信息發(fā)送到另一個(gè)進(jìn)程，它發(fā)布消息隊(duì)列。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程希望從一個(gè)隊(duì)列中接收消息時(shí)，它會(huì)掛起隊(duì)列。因此，消息隊(duì)列工作就像一個(gè)FIFO（先入先出）存儲(chǔ)器。

在μC/ OS-III操作系統(tǒng)

Micrium的μC/ OS-III是一個(gè)搶占式RTOS，這意味著它會(huì)一直運(yùn)行具有最高優(yōu)先級(jí)的準(zhǔn)備執(zhí)行任務(wù)。在將其加入ZYNQ SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步是從Micrium的網(wǎng)站下載了μC/ OS-III的RTOS。一旦你這樣做，安裝非常簡單。你只需要你安裝的Xilinx提取下您的計(jì)算機(jī)上的幾個(gè)ZIP文件到正確的文件夾（目錄）。

請確保您提取名為Zynq-7000-ucosiii-bsp.zip ZIP文件到您的 ISE_DS EDK 軟件 lib目錄 BSP 文件夾中。你會(huì)看到一些其他的操作系統(tǒng)這個(gè)文件夾下，包括獨(dú)立和xilkernel的。接下來，提取名為Zynq-7000-ucosiii-demo.zip ZIP文件到您的 ISE_DS EDK 軟件 lib目錄 sw_apps 文件夾，如圖1。再次，你會(huì)看到一些其他的應(yīng)用演示中此文件夾。

圖1：顯示演示文件的位置的目錄結(jié)構(gòu)

無需安裝這兩套文件，我們準(zhǔn)備開始軟件開發(fā)工具包（SDK）中創(chuàng)建我們的項(xiàng)目。我們將使用之前創(chuàng)建相同的基本硬件，但我們需要一個(gè)新的應(yīng)用程序和板級(jí)支持包（BSP），因?yàn)槲覀兿Ｍú僮飨到y(tǒng)。

在SDK中，關(guān)閉所有打開的項(xiàng)目，除了基本硬件設(shè)計(jì)。接下來，選擇文件>新建>應(yīng)用程序項(xiàng)目的選擇，給新的項(xiàng)目名稱并選擇操作系統(tǒng)μC/ OS-III（見圖2）。然后選擇μC/ OS-III的演示應(yīng)用程序（見圖3）

圖2：選擇操作系統(tǒng)

圖3：選擇μCOS-III演示

當(dāng)你快樂時(shí)，單擊Finish按鈕。應(yīng)用程序和板級(jí)支持包（如果你選擇該選項(xiàng)）將在SDK中創(chuàng)建。如果您選擇了自動(dòng)生成選項(xiàng)，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些錯(cuò)誤的報(bào)道。這是因?yàn)椴皇撬械捻?xiàng)目引用是正確的呢。要設(shè)置這些項(xiàng)目引用，您需要導(dǎo)入的演示設(shè)置，你會(huì)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目>來源>設(shè)置選項(xiàng)下。在這個(gè)XML文件右鍵單擊并查看屬性。這將允許您選擇和復(fù)制該文件的位置，如圖4所示。

圖4：獲取正確的設(shè)置

一旦你復(fù)制這個(gè)位置，在項(xiàng)目右鍵單擊并選擇屬性。在標(biāo)題C / C ++一般，選擇路徑和符號(hào)的選擇。然后選擇導(dǎo)入設(shè)置和設(shè)置文件的位置粘貼。

同樣重要的是，以確保存儲(chǔ)庫正確指向前面添加的庫。您可以通過設(shè)置賽靈思工具>存儲(chǔ)庫，它應(yīng)該顯示在您的μC/ OS-III BSP以前安裝的位置檢查這些。

因?yàn)槲覀兿Ｍ褂玫腢ART輸出的狀態(tài)演示，正在顯示出完成初始化和運(yùn)行任務(wù)，則可能需要設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出到UART下的BSP設(shè)置。

經(jīng)執(zhí)行這些操作，你會(huì)看到，現(xiàn)在可以建項(xiàng)目。但是，仍然會(huì)有一些警告，如果你想在你的硬件上運(yùn)行這個(gè)項(xiàng)目，將無法達(dá)到演示指出它應(yīng)該。這是因?yàn)榫媪宋瓷陥?bào)的功能。包括bsp.c文件中下面的語句應(yīng)該糾正這個(gè)問題。

有一次，我添加了這個(gè)“有”頭文件，該項(xiàng)目建成并運(yùn)行按預(yù)期在我的ZedBoard（見我的YouTube視頻）。#include“xil_cache.h”

啟動(dòng)和運(yùn)行

在拿到例如啟動(dòng)和運(yùn)行，你現(xiàn)在有信心，RTOS已經(jīng)在系統(tǒng)上正確實(shí)施?，F(xiàn)在，您可以繼續(xù)正確地執(zhí)行對ZYNQ SoC的軟件設(shè)計(jì)。一旦你創(chuàng)建了軟件應(yīng)用和工程團(tuán)隊(duì)已經(jīng)準(zhǔn)備好嘗試一下硬件，可以在完全相同的方式創(chuàng)建一個(gè)編程文件，你會(huì)為裸機(jī)系統(tǒng)（參見Xcell雜志問題83，“如何配置您的SoC ZYNQ裸機(jī)解決方案“），能夠與RTOS的應(yīng)用程序啟動(dòng)和配置存儲(chǔ)器執(zhí)行。