DSP多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)

張健　李躍鵬　劉威鵬　曾麗麗

摘要：針對(duì)廣泛使用的DSP處理器，分析TI公司實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS的特點(diǎn)，論述DSP多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)架構(gòu)?；贒SP/BIOS完成任務(wù)創(chuàng)建與堆棧檢測(cè)、中斷管理、時(shí)鐘管理、多任務(wù)調(diào)度策略及任務(wù)間通訊等內(nèi)核關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有基本功能的DSP多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。并給出所設(shè)計(jì)的內(nèi)核軟件在TI的 DSP TMS320C6655上的應(yīng)用實(shí)例，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)核的一些關(guān)鍵功能（定時(shí)器、任務(wù)調(diào)度策略）。所設(shè)計(jì)的多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，架構(gòu)簡(jiǎn)潔，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，便于進(jìn)行二次開發(fā)。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；DSP/BIOS；多任務(wù)；操作系統(tǒng)內(nèi)核

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）02-0077-03

Abstract： In view of the widespread use of DSP processor， Analysis of the characteristics of TI company real-time operating system DSP/BIOS，DSP real-time multitasking operating system architecture is also discussed. The key part of the kernel design is based on DSP/BIOS to complete the task to create and stack detection， interrupt management， clock management， task scheduling strategy and intertask communication.All of the implement a basic function of DSP real-time multitasking operating system kernel. the design of kernel software is used on DSP TMS320C6655 application and through the experiment verify the kernel' s some key function （timer， task scheduling strategy）. The designed multitasking operating system kernel architecture is simple， it has strong real-time performance，and is convenient for secondary develop-ment.

Key words： real-time operating system； DSP/BIOS； multitasking； OS kernel

如今，DSP芯片的片上資源的不斷增加，DSP芯片的軟件設(shè)計(jì)也開始更多的關(guān)注如何更好地進(jìn)行控制資源和任務(wù)管理[1]。同時(shí)，DSP 處理器以運(yùn)算速度高效著稱，在 “實(shí)時(shí)性”和“并行性”具有優(yōu)勢(shì)。DSP 芯片在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)（如采用哈弗結(jié)構(gòu)體系[2]，集成的硬件加速器，功能單元并行操作，匯編指令軟件流水等），具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。這些特點(diǎn)為其在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1 DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核

DSP/BIOS是德州儀器基于TMS320系列DSP平臺(tái)提供的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核[3]。DSP/BIOS是一個(gè)可升級(jí)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，它提供的底層應(yīng)用函數(shù)接口，可用于支持系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析、線程管理、調(diào)度軟件中斷、周期函數(shù)、外部硬件中斷及各種外設(shè)管理。DSP/BIOS 支持4種不同優(yōu)先級(jí)的線程：硬件中斷（HWI）、軟件中斷（SWI）、任務(wù)（TSK ）、后臺(tái)線程（IDL ）[4]。

如圖1 所示，DSP操作系統(tǒng)內(nèi)核界于BOOT區(qū)和應(yīng)用程序接口層之間， 它主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理；系統(tǒng)時(shí)鐘管理；任務(wù)間通信與同步和中斷管理。并利用信號(hào)、定時(shí)器、優(yōu)先級(jí)、中斷、任務(wù)調(diào)度等機(jī)制為應(yīng)用層提供支撐[5]。向下主要與BIOS初始化接續(xù)。

接口1中，當(dāng)BIOS初始化完成后，調(diào)用系統(tǒng)main（）函數(shù)后，操作系統(tǒng)先執(zhí)行初始化操作，信號(hào)量和任務(wù)創(chuàng)建，應(yīng)用程序上電自啟動(dòng)等。接口2中，內(nèi)核通過DSP系統(tǒng)提供的API函數(shù)與應(yīng)用層間實(shí)現(xiàn)交互，實(shí)現(xiàn)定時(shí)器、任務(wù)、優(yōu)先級(jí)等功能的使用。

2 DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)的DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核將應(yīng)用程序分為若干任務(wù)進(jìn)行管理，并且負(fù)責(zé)任務(wù)間的通信，可以極大地簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。任務(wù)調(diào)度采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度策略，該策略中賦予每個(gè)任務(wù)一個(gè)優(yōu)先級(jí)，任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級(jí)就越高[6]，內(nèi)核總是將CPU分配給處于就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行，保證重要的突發(fā)事件及時(shí)得到處理[7]。

2.1 任務(wù)堆棧檢測(cè)與狀態(tài)轉(zhuǎn)換

采用動(dòng)態(tài)方法向內(nèi)核創(chuàng)建任務(wù)，首先由Task_Params_init（&taskParamsTemp）函數(shù)初始化任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)體Task_Params，配置任務(wù)優(yōu)先級(jí)、堆棧大小、任務(wù)狀態(tài)字等參數(shù)，然后，調(diào)用函數(shù)Task_create創(chuàng)建任務(wù)。

2.2 中斷管理

系統(tǒng)內(nèi)核采用中斷服務(wù)和任務(wù)切換結(jié)合的機(jī)制：每當(dāng)中斷發(fā)生后，系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行中斷響應(yīng)， 將全部CPU 寄存器推入當(dāng)前任務(wù)棧，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，再恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)， 調(diào)用脫離中斷函數(shù)，執(zhí)行中斷返回。如果中斷服務(wù)子程序使一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，則在中斷恢復(fù)過程中完成新任務(wù)的寄存器內(nèi)容恢復(fù)，中斷返回后，通過任務(wù)切換函數(shù)完成任務(wù)切換。為減少任務(wù)響應(yīng)時(shí)間，中斷服務(wù)程序中要做的事應(yīng)盡可能少。其大部分工作由中斷服務(wù)程序中就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)完成。中斷任務(wù)調(diào)度流程圖如圖3所示：

由于任務(wù)切換需要把目標(biāo)寄存器文件以及控制寄存器文件（CSR、IER、IRP 和 AMR）這些斷點(diǎn)數(shù)據(jù)入棧保護(hù)，因此，任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU 中入棧寄存器的數(shù)量。CPU的寄存器越多，任務(wù)切換時(shí)間越久。由于C編譯器不能從C語(yǔ)言中直接處理CPU寄存器，任務(wù)切換需要由匯編語(yǔ)言編寫，現(xiàn)給出任務(wù)切換示意性代碼：

為確保T0任務(wù)的調(diào)度函數(shù)執(zhí)行的完整性，當(dāng)T0任務(wù)通過信號(hào)量調(diào)度獲取CPU使用權(quán)后，由函數(shù)Task_disable（）禁止任務(wù)切換，等調(diào)度函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后，再由Task_restore（key）重新使能任務(wù)切換，繼續(xù)等待下一個(gè)定時(shí)器信號(hào)量的到來(lái)。

2.4 任務(wù)間通訊

對(duì)于簡(jiǎn)單的共享變量，系統(tǒng)通過關(guān)中斷、開中斷來(lái)處理，以提高效率。當(dāng)數(shù)據(jù)量比較耗費(fèi)時(shí)間時(shí)，引入信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)間通訊，并設(shè)計(jì)緩沖區(qū)機(jī)制，保證任務(wù)間傳輸數(shù)據(jù)的一致性。緩沖區(qū)的基本設(shè)計(jì)思路是：為每一個(gè)任務(wù)設(shè)置多個(gè)輸出緩沖區(qū)，用以支持與其他任務(wù)的數(shù)據(jù)交互。本輸出任務(wù)總能確保找到一個(gè)空閑的緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，同時(shí)其他任務(wù)可以從其他的緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。每個(gè)任務(wù)的輸出緩沖區(qū)的個(gè)數(shù)為：N = T + 1，T指比當(dāng)前輸出任務(wù)優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)數(shù)量。由于最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)最后執(zhí)行，數(shù)據(jù)不會(huì)被其他任務(wù)讀取，故其輸出緩沖區(qū)個(gè)數(shù)只需要1個(gè)。

3 應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)的內(nèi)核是一個(gè)通用的DSP多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，在 TI 的 DSP TMS320C6655上由CCS5.1調(diào)試。并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試該內(nèi)核的一些關(guān)鍵功能。

在系統(tǒng)main函數(shù)中除T0定時(shí)器任務(wù)之外，再創(chuàng)建4個(gè)時(shí)鐘周期任務(wù)taskT1、taskT2、taskT3和taskT4，各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為：

T0>taskT1>taskT2>taskT3>taskT4。

首先，驗(yàn)證定時(shí)器中斷間隔：設(shè)定產(chǎn)生1ms的時(shí)鐘中斷任務(wù)。通過許繼自主研發(fā)的VIGET圖形化工程軟件編寫測(cè)試?yán)?，同時(shí)，創(chuàng)建以太網(wǎng)任務(wù)，建立系統(tǒng)以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)與圖形化工程軟件的通信。如圖5所示，TSTART 和 TSTOP模塊根據(jù)式（1）算出中斷間隔，并由TSTOP模塊輸出實(shí)時(shí)中斷間隔：

中斷間隔 = 中斷任務(wù)內(nèi)時(shí)鐘滴答數(shù)（N）* 時(shí)間因子（u） （1）

XSUM模塊的輸出管腳AVG即為中斷間隔的平均值（999.7894us），證明定時(shí)器中斷正常。

4個(gè)周期任務(wù)的滴答間隔為1，2，4，8。在某些周期（如時(shí)鐘周期4，8，12...4n）超過2個(gè)任務(wù)會(huì)同時(shí)就緒。不滿足多任務(wù)調(diào)度算法原則。因此，需要設(shè)計(jì)調(diào)度算法，使各周期的任務(wù)數(shù)均衡分布。任務(wù)調(diào)度策略基本設(shè)計(jì)思路是：延遲一個(gè)周期釋放task3任務(wù)信號(hào)量，提前一個(gè)周期釋放task4任務(wù)信號(hào)量。

任務(wù)的調(diào)度信息通過串口實(shí)時(shí)輸出，圖6為依據(jù)串口輸出信息繪出的任務(wù)分布對(duì)比圖形?？梢宰C實(shí)：執(zhí)行任務(wù)調(diào)度函數(shù)后，任務(wù)的執(zhí)行周期進(jìn)行延遲和提前，但是各任務(wù)執(zhí)行間隔不變，在同一時(shí)鐘周期最多有2個(gè)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，各個(gè)任務(wù)分布均勻，系統(tǒng)負(fù)荷均衡。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的僅是DSP實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核中一部分的實(shí)現(xiàn)方法，所設(shè)計(jì)的可縮減內(nèi)核簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)，程序模塊清晰，易于移植，適用于DSP系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要添加串口通信、TCP /IP協(xié)議棧、動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理、故障診斷等功能，使得完整的嵌入式操作系統(tǒng)在該內(nèi)核的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。許繼自主研發(fā)的電力系統(tǒng)控制保護(hù)平臺(tái)的主處理器中，使用了該內(nèi)核，實(shí)際運(yùn)行狀況良好，滿足了強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求。最小任務(wù)周期為0.1ms，滿足復(fù)雜多任務(wù)的需求。

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