西安電子科技大學(xué)模式識(shí)別與智能控制研究所  應(yīng)陳克，胡文江

引言

隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，DSP處理芯片的處理能力越來越強(qiáng)大，控制的外圍設(shè)備越來越多，軟件算法也越來越復(fù)雜。對(duì)于DSP系統(tǒng)的軟件開發(fā)，不僅要面對(duì)復(fù)雜的軟件算法，同時(shí)還要把大部分精力放在各種外圍設(shè)備和相關(guān)的硬件控制上，整個(gè)過程復(fù)雜而艱辛。因此，為這一類系統(tǒng)開發(fā)小巧精致、便于移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有實(shí)際的意義。本文參考開放源代碼實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC／OS-II，完成了基于ADI公司的ADSP-TigerSHARC101S(以下簡(jiǎn)稱TS101)系列DSP芯片的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。

1 TS101芯片簡(jiǎn)介

TS101是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的一款高性能靜態(tài)超標(biāo)量處理器。ADSP-TS101S的內(nèi)核指令周期為3.3ns，每周期能夠執(zhí)行4條指令、24個(gè)16-bit定點(diǎn)運(yùn)算和6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算。內(nèi)部有三條相互獨(dú)立的128bit寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，每條總線各連接一個(gè)2MB內(nèi)部存儲(chǔ)器陣列，可提供4個(gè)字的數(shù)據(jù)、指令及I／O訪問，以及14.4Gbytes／s的內(nèi)部存儲(chǔ)器帶寬。

在ADSP-TS101內(nèi)部的雙運(yùn)算模塊中，每個(gè)均包含一個(gè)ALU、乘法器、64-bit移位器和32個(gè)字的寄存器組及相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)齊緩沖器(DAB)。芯片中的雙整數(shù)ALU(IALU)均有自己的31個(gè)字的寄存器組以用于數(shù)據(jù)尋址。此外，TS101中還帶有一個(gè)帶指令對(duì)齊緩沖器 (IAB)，以及分支目標(biāo)緩沖器(BTB)和中斷控制器的程序控制器，同時(shí)有三條相互獨(dú)立的128bit寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線以及片內(nèi)6MB SRAM；TS101提供有與主機(jī)處理器、多處理器空間(DSP)、外部SRAM和SDRAM相連的外部端口和一個(gè)14通道DMA控制器、四個(gè)鏈路口、兩個(gè)64bit問隔定時(shí)器和定時(shí)器計(jì)滿引腳。芯片上一個(gè)與IEEE 1149.1兼容的JTAG接口可用于片上仿真。

2 基于TS101的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能

本文介紹的基于TS101的嵌入式操作系統(tǒng)是參考源碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC／OS-II來設(shè)計(jì)的，實(shí)際上，它和uC／ OS-II一樣，僅僅是一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，而不具有像GUI、TCP／IP協(xié)議棧等功能部件。它支持占先式多任務(wù)調(diào)度，并可提供有效的服務(wù)(如信號(hào)量、郵箱、隊(duì)列、延時(shí)、超時(shí)等)。同時(shí)，在uC／OS-II基礎(chǔ)上可引入高級(jí)操作系統(tǒng)中的進(jìn)程和線程等概念。因此，本沒計(jì)采用了進(jìn)程與線程結(jié)合的方式，即將實(shí)現(xiàn)不同功能的任務(wù)視為進(jìn)程，然后在任務(wù)內(nèi)部進(jìn)行細(xì)分，以劃分為不同的線程。進(jìn)程間的調(diào)度與切換在TS101內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)和外部擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)(例如SDRAM)中進(jìn)行，而線程間的調(diào)度與切換則在TS101內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)中實(shí)現(xiàn)。從本設(shè)計(jì)的整個(gè)TS101嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)來看，它的基本功能主要包括任務(wù)管理、中斷管理、內(nèi)存管理三方面內(nèi)容。

在TS101嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的三大塊功能中，任務(wù)管理功能模塊基本上是uC／OS-II的簡(jiǎn)單移植，本文主要針對(duì)中斷處理和存儲(chǔ)器管理兩大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

3 TS101的中斷處理

TS101的中斷處理包括硬件中斷和軟件中斷兩大類，其中軟件中斷又包括軟件異常中斷和Debug中斷。

3.1 硬件中斷

TS101處理器不需要專門的堆棧指針來保存現(xiàn)場(chǎng)，器件中IALU的J、K寄存器都可以用作堆棧指針。在允許嵌套中斷的中斷服務(wù)程序中，可將中斷返回地址(即RETIB)值保存到堆棧中，這樣，在從RETIB讀出返回地址后，系統(tǒng)將自動(dòng)開啟全局中斷使能。但在保存相關(guān)的寄存器和RETI時(shí)本應(yīng)禁止全局中斷使能，所以這是在程序控制器將PC寫入RETI時(shí)自動(dòng)完成。如果系統(tǒng)不支持嵌套的硬件中斷，則無需把處理器狀態(tài)保存在堆棧中。中斷一般根據(jù)寄存器RETI執(zhí)行并在中斷后返回，而不需要再對(duì)硬件中斷的全局禁止位進(jìn)行處理。

3.2 軟件中斷 (異常)

異常軟件中斷是在程序執(zhí)行的過程中觸發(fā)的。使能異常中斷時(shí)，可將PMASK[62]置位，并將PC存儲(chǔ)于RETS；而對(duì)于仿真異常，則將PMASK[63]置位，PC存儲(chǔ)于DBUG中。當(dāng)異常中斷出現(xiàn)時(shí)，程序控制器將從寄存器IVSW指向的地址取址，仿真異常則從EMUIR寄存器取址，同時(shí)將指令流水的指令清空。

3.3 中斷返回