實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)總體軟硬件方案設(shè)計(jì)

隨著DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）性能的改進(jìn)，應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，特別是在消費(fèi)類電子產(chǎn)品的應(yīng)用日益增加，DSP除了繼續(xù)承擔(dān)傳統(tǒng)的算法處理核心的角色之外，還需要完成一些控制性的或事務(wù)性的工作，而這些工作以前往往是由控制能力、線程管理能力更強(qiáng)的MCU或CPU來完成。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用解決了DSP系統(tǒng)開發(fā)中的2個(gè)重要的問題：一是可以保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，二是使復(fù)雜的多線程多任務(wù)的軟件系統(tǒng)的開發(fā)變得相對(duì)簡單易行。
　　DSP平臺(tái)的信號(hào)處理機(jī)一般只是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)專用于信號(hào)處理算法的子部分，不需要控制太多的外設(shè)，而且為了滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理，盡量采用前后臺(tái)式的線性程序結(jié)構(gòu)。
　　本設(shè)計(jì)的信號(hào)處理機(jī)是希望以他為主體構(gòu)成一個(gè)完整的便攜式雷達(dá)系統(tǒng)，除了信號(hào)處理的任務(wù)之外，采樣、顯示、通信等多種任務(wù)也必須由他來完成，需要滿足實(shí)時(shí)多任務(wù)的要求，所以必須使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本文主要介紹了為什么使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及基于DSP／BIOSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì)思想和方案。
　　1、總體硬件方案設(shè)計(jì)
　　本信號(hào)處理機(jī)以TMS320C5509作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，由于考慮到圖像的緩存需要較大的存儲(chǔ)空間，所以擴(kuò)展了三星公司的16 Mb的SDRAM——KM416S1020C作 為擴(kuò)展存儲(chǔ)器。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是由控制器和D／A提供給前端采樣頭所需的信號(hào)，并啟動(dòng)A／D對(duì)采樣頭傳來的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，DSP接收之后做相應(yīng)的信號(hào)處理，根據(jù)鍵盤的設(shè)定將圖像按照一定的要求顯示到彩色圖形液晶上，并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)存儲(chǔ)以便做進(jìn)一步的處理和顯示?？傮w硬件框圖如圖1所示。
　　
　　TMS320C5509數(shù)字信號(hào)處理器是德州儀器公司（TI）TMS320C5000系列中新推出的一種，極大降低了功耗，達(dá)到了每個(gè)MIPS只需0．05 mW的水平，與市場上的主流產(chǎn)品TMS320C54x相比，功耗降低了6倍。TMS320C5509的內(nèi)核是從TMS320C54x上發(fā)展而來的，所以可以完全兼容現(xiàn)在市場主流的TMS320C54x系列處理器的指令，既保護(hù)了用戶在軟件方面的投資，又使得熟悉TMS320C54x編程的軟件人員幾乎不用再學(xué)習(xí)就可以編寫他的軟件。同時(shí)，TMS320C5509中還集成了大量諸如AD，USB控制器之類的片內(nèi)外設(shè)，使其成為了一款具有SOC（片上系統(tǒng)）性質(zhì)處理器，用戶只需外加很少的輔助器件就可以構(gòu)成一個(gè)較完整的DSP系統(tǒng)。從以上特點(diǎn)可以看出，TMS320C5509非常適合于應(yīng)用在便攜式系統(tǒng)中。
　　2、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP／BIOSⅡ的簡介
　　TI公司的DSP／BIOSⅡ是一種專門為TI公司的TMS320系列DSP芯片設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。主要由5個(gè)部分組成：
　?。?）線程和調(diào)度（Procedure and Scheduling）
　　DSP／BIOSⅡ提供了4種不同的執(zhí)行線程，包括HWI（硬中斷任務(wù)）、SWI（軟中斷任務(wù)）和TSK（任務(wù)）等，每一類線程又具有不同的執(zhí)行、掛起、休眠等特性。DSP／BIOSⅡ支持基于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方法，又可以通過修改內(nèi)核提供搶先式多任務(wù)服務(wù)。
　?。?）硬件抽象（Hardware Abstraction）
　　他提供了PIP和SIO兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，可以方便DSP與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換。Pipe（數(shù)據(jù)管道）使用了較少的內(nèi)存，并且傳輸?shù)乃俣瓤臁⑿矢?。SIO（流）對(duì)內(nèi)存有了更高的抽象，便于創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序更加結(jié)構(gòu)化的方法。
　　（3）資源管理（Resoure Management）
　　利用DSP／BIOSⅡ的邏輯接口可以對(duì)特定的硬件部分進(jìn)行訪問和配置。DSP／BIOSⅡ不僅可以通過其設(shè)置工具來定義內(nèi)存映射、中斷向量表而且還可以設(shè)置定時(shí)器、串行口等硬件設(shè)備。
　　（4）通信和同步（Communication and Synchronization）
　　DSP／BIOSⅡ支持旗語（Semaphores）、郵箱（Mailbox）和數(shù)據(jù)隊(duì)列（Queue）等多種內(nèi)部線程通信和同步的方式。旗語是最主要的同步方式，可以使任務(wù)通過旗語來運(yùn)行和掛起，還可以用互斥旗語來管理緩沖區(qū)和設(shè)備。
　?。?）實(shí)時(shí)分析（Real-Time Analysis）
　　實(shí)時(shí)分析工具能夠讓開發(fā)者在程序執(zhí)行期間對(duì)DSP進(jìn)行交互和診斷。DSP／BIOSⅡ不僅提供了常用的日志（LOG），STS，TRC模塊，還提供了CPU負(fù)載圖（CPULoad Graph）、執(zhí)行圖（Execution Graph）等多種更方便的調(diào)試和觀察工具。
　　3、基于DSP／BIOSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　使用DSP／BIOSⅡ來做項(xiàng)目的第一步就是模塊劃分，即把項(xiàng)目所要完成的功能拆分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的線程來完成（可以認(rèn)為線程在運(yùn)行時(shí)是獨(dú)占DSP的），根據(jù)線程中使用硬件資源的情況考慮用什么類型的線程來完成。一般來說，用到硬中斷的任務(wù)放到HWI來完成，用到定時(shí)器的任務(wù)可以放到PRD（周期任務(wù)）中完成。然后是確定線程之間的關(guān)系，根據(jù)他來設(shè)定各個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)，以及用 什么方式通訊和交換數(shù)據(jù)。旗語是最便于使用的通訊方式。