实时嵌入式内核在DSP上的移植实现

实时嵌入式内核在DSP上的移植实现《工业控制计算机》!""!年 #$卷第 %期在设计单片机及 &’( 等智能系统时，系统程序经常采用这样的方法：主程序循环执行各子程序模块，并通过中断或查询实现外部事件。但是，这种方式不能很好地解决实时性问题。比如，即使某子程序模块运行条件完全具备，若主程序没有运行到该点，子模块也得不到运行，这在实时性要求严格的系统中是不允许的。而 !) *+’,--就能很好地解决这样的问题。!) *+’,-- 是由 ./012334 编写的实时嵌入式操作系统内核（56+’），源码完全公开，具有可移植性...

《工业控制计算机》!""!年 #$卷第 %期在设计单片机及 &’( 等智能系统时，系统程序经常采用这样的方法：主程序循环执行各子程序模块，并通过中断或查询实现外部事件。但是，这种方式不能很好地解决实时性问题。比如，即使某子程序模块运行条件完全具备，若主程序没有运行到该点，子模块也得不到运行，这在实时性要求严格的系统中是不允许的。而 !) *+’,--就能很好地解决这样的问题。!) *+’,-- 是由 ./012334 编写的实时嵌入式操作系统内核（56+’），源码完全公开，具有可移植性强、支持多任务等特点，但其中与处理器相关的部分代码需要用户用汇编编写。在采用该实时内核的系统中，可以将应用程序分成若干任务（线程），并赋予每个任务一个优先级，由该实时系统内核实现任务调度。使各任务在休眠、就绪、运行、挂起、被中断五种状态间转变。就绪任务中优先级最高者将占有 )(7。要使 !) *+’,--能在 &’( 芯片 68’9!")$:"; 上运行，必须做相应的移植，主要工作是有针对性地编辑 !) *+’,--中的三个与处理器相关的文件："+’<)(7=>#+’<)(7<)=) $+’<)(7头文件中，定义了与处理器相关的常量 +’<’6@、宏 +’ 中还定义了宏 +’; $"%&’"(%")*+ ?@A*B /C&D 9(B+ -!软中断实现任务切换! - 此外，系统为区别不同的 ,#E 压栈顺序，需用户根据所选 ,#E自定义 $"%"&(%FD$)&G常量的值H 若堆栈是从低地址向高地址方向伸展，定义为 3，反之为 I。 &0"123,4536 的堆栈增长方向是递减的，因此 $"%"&(%FD$)&G为 I，即： 9:;<=>; $"%"&(%FD$)&G I ! "#$%&’$%(%文件的编辑 $"%,#E%,J, 文件中，要求用户编写六个 , 函数：$"&?@K"7K/>=7 *+、$"&?@K,L;?7;GMMK *+、$"N &?@K!;OGMMK*+、$"&?@K"PGMMK*+、$"&?@K"7?7GMMK *+、$"&=A;&=QKGMMK*+。其中只有 $"&?@K"7K/>=7*+是必要的，其它函数是为方便用户扩展功能而设，因而可定义为空。函数 $"&?@K"7K/>=7*+用于系统创建用户任务时，建立并初始化任务堆栈。该函数跟处理器的硬件体系密切相关，它将所有的寄存器压栈，返回新的堆栈栈顶，并将它们保存在该任务的任务控制块 $"%&,R 中，最终使初始化后的堆栈跟刚发生过一次中断一样。这样，系统无需对调度程序作特殊地处理即可直接对新任务进行调度。在 &0"123,4536系统中应该保存的寄存器有：累加器 ’、R，辅助寄存器 ’D8，以及寄存器 R(、&、"&3、"&I、RD,、#0"&、DS’、D"’、/0D 等。为方便起见，可以定义寄存器压栈和出栈的宏。!, - $".// 系统还给该函数提供了任务代码指针!7?@K，参数指针!T:?7?以及栈顶指针!T7M@ 等，函数可由 !T7M@获取任务堆栈指针 "#，并将参数指针!T:?7? 的值放到 ’ 中，然后将!7?@K 压栈，接着各寄存器赋初值并压栈，保存在寄存器中的参数也随之存放在堆栈中，最后返回栈顶指针给 $"%&,R，此时的任务堆栈就符合系统要求了。当初始化后的任务成为最高优先级的就绪任务时，系统调度函数根据该任务控制块 $"%&,R 中保存的栈顶指针，将堆栈中保存的寄存器值切换到 ,#E 的寄存器中，使系统开始运行当前最高优先级任务。事实上，这个过程模仿了编译器对程序地调用。 ) "#$%&’$*(*#+文件的编辑此文件包括的四个函数都涉及对寄存器地处理，跟处理器有关，由于不同的处理器有不同的寄存器，所以操作系统在这个文件里给用户留下四个函数接口，以便用户根据所选处理器编写相应的汇编程序以完成固定的功能。四个函数分别是 $""7?L7G=UVD:W*+、 $",78"P*+、$"/>7,78"P*+、$"&=QK/"D*+。 1JI $""7?L7G=UVD:W*+ 该函数是由启动函数 $""7?L7*+调用的，功能是使系统能及时地运行优先级最高的就绪任务，由于系统中数据指针 $"&,RG=UVD:W 一直指向就绪任务中优先级最高的任务控制块 $"%&,R，使得 $""7?L7G=UVD:W *+轻易就可获取最高优先级任务的栈顶指针，再将保存在此任务堆栈的寄存器值恢复到 ,#E寄存器中，使该任务得以运行，实现多任务的启动。对 &0"123,4536 而言，$""7?L7G=UVD:W*+代码编写如下： %$""7?L7G=UVD:WX ,’YY 9%$"&?@K"PGMMK Z 调用用户自定义的 $"N &?@K"PGMMK *+ Y! !*%$"&,RG=UVD:W+H ’ Z$"%&,R 的 3偏址单元存放的是任务堆栈指针 C$# "&Y0 ’H ’D3 Z’D3 中的值是该 &,R 的地址 C$# Y! !’D3H ’ Z获得堆栈指针 C$# "&Y0 ’H "# Z将堆栈指针指向任务堆栈 C$# "& 9IH !*%$"D[>>=>U+ Z设定 $"D[>>=>U 为 &DES ,$C&S\&%DS"&$D] Z恢复所有寄存器 DS&S Z中断返回在调用函数 $"&?@K"PGMMK*+时，由于当前任务控制块 $"&,RQ[L 仍然指向将要被切换出去的任务，而 $"&,RG=UVD:W 则指向即将被运行的任务，因此用户可在 $"&?@K"PGMMK*+中对它们操作，以实现特殊的功能，当然该函数也可定义为不做任何事的空函数。从程序我们可以看出，要运行最高优先级的任务，首先得找到该任务堆栈指针，然后将寄存器内容及参数从堆栈中恢复到 ,#E 的寄存器中，$"D[>>=>U 只是用来区分是 $""7?L7G=UVD:W*+还是正常的任务切换在调用 $"&?@K"PGMMK*+。当执行了中断返回指令后，处理器开始执行最高级的就绪任务。 1J2 $",78"P*+ 前面曾提过，任务切换时使用了软中断，并将中断向量指向 $",78"P*+，因此该函数所要做的就是执行任务级的任务切换。其目的是为了保证 ,#E 永远运行就绪表中优先级最高的任务。这跟 $""7?L7G=UVN D:W*+类似，然而，前者是由 $""7?L7*+调用的，只是执行启动多任务的功能，而 $",78"P*+是任务调度函数 12 《工业控制计算机》!""!年 #$卷第 %期 &’’()*+,-通过宏 &’./0’1.’2,-调用的，执行的是多任务的调度功能：不仅要使高优先级任务得以恢复运行，还得将待切换出去的任务保存起来，两者的差别也可以从程序代码中比较出来： .&’345’67 3&8/9:/.’0;9 <保存处理器寄存器内容 =>? ’@A B <当前任务堆栈指针保存到任务 &’./3B 中 => !,.&’/3B3CD-A 0 < 8&@ ’/=? 0A 0E" < 8&@ ’/= BA !0E" < 30== F.&’/GHI’6JKKI < 调用用户自定义的 &’L /GHI’6JKKI ,- => !,.&’/3BJMN)E+O-A 0 <待恢复任务优先级控制块 => !,.&’@DMKJMN)E+O-A B <待恢复任务优先级 ’/= 0A !,.&’/3B3CD- <高优先级就绪任务赋予当前控制块 ’/= BA !,.&’@DMK3CD- < 待恢复的就绪任务优先级设为当前优先级 ’/=? 0A 0E" <恢复任务堆栈指针 8&@ => !0E"A 0 < 8&@ ’/=? 0A ’@ <指针指向优先级最高就绪任务堆栈 8&@ 8&@ 3&8/9:/.E9’/&E9 <恢复寄存器 E9/9 <执行中断返回指令显然，对当前任务相关内容地保存、给当前优先级数据结构赋值以及给当前任务控制块赋值都是 &’L ’4GD4JMN)E+O,-所不具有的。也许有人会产生疑问，既然这是任务级的切换，为什么要执行中断返回指令 “E9/9”而不是“E9/”呢？这是因为任务执行的时候必须允许中断，所以不仅需要将栈中的返回地址弹回 @3A同时还需自动对 ’/# 的中断屏蔽位清零，即允许中断，因此必须选择“E9/9”返回。 PQP &’RS4345’6,- 与 &’345’6,-相比较，&’RS4345’6,-也是执行任务切换的，但它执行中断级的任务切换。为什么不使用现成的 &’345’6,-进行切换呢？主要基于这样的考虑：（#）它是在中断处理程序中调用的，类似于 &’3L 45’6,-中保存寄存器的工作在进入中断时就做过了；（!）它是中断子程序通过 &’RS495M4,-调用的，两级调用都存在对返回地址等参数的压栈操作，这就使得此时的堆栈比起 &’345’6,-切换时在栈顶位置多了一些压栈。而 !3 T&’URR要求被任何方式挂起的所有任务都必须具有相同的堆栈结构，以便于系统能够及时恢复任务的运行。为此，我们必须做相应的处理：首先，无需再次保存寄存器；其次，必须改变堆栈指针 ’@，使栈结构跟所有被挂起的任务栈结构一样。假定进入 &’RS4345’6,-之初，任务堆栈情形如下： :::: <调 &’RS4345’6,-时压栈的返回地址 :::: <调 &’RS495M4,-产生的返回地址 " ::::<以下是保存的相关寄存器内容 V ::::<中断返回地址当然此堆栈就是即将要被切换出去得任务堆栈，当所有比它更高优先级的就绪任务运行完毕后，我们希望此任务能够从被中断的位置继续执行，因此该任务堆栈需要保存中断返回地址以及任务中断时 3@W 的所有有关的寄存器内容。与一般正常挂起的任务堆栈相比较，该堆栈只是在栈顶位置多了两个返回地址的压栈，因此只要使用指令“XE0?9 I”将栈顶调整至上图的箭头所指位置即可。至于保存当前任务堆栈指针，以及给当前控制块赋值等工作则跟 &’345’6,- 中一样。值得注意的是，调整前的堆栈结构事实上还跟用户使用的汇编器有关，因此一定要先弄清函数调用时是否还有其它可能的压栈操作再做调整。 PQY &’/M(IR’E,- &’/M(IR’E,-也是 !3 T&’URR 操作系统中要求用户提供的汇编程序，它是时钟中断服务程序，实现时间的延迟和期满功能，其具体流程如下：保存寄存器"调 &’RS49S4*D,-或使 &’RS48*H4MSN 加 #"调 &’/MZ*/M(I,-"调 &’RS495M4,-"恢复寄存器"执行中断返回其中 &’/MZ*/M(I,-函数定时对所有的任务控制块中的 &’/3B>[O减一，当某任务的 &’/3B>[O 减为零时，就将其转到就绪态，以备运行，但这程序跟具体的处理器无关，这里就不多加描述。而 &’RS495M4,-主要用于判别中断地执行是否使得更高优先级的任务进入就绪态，如有，则进行任务切换，否则返回。至于时钟中断可由 >’@的定时器周期计数器 @E>产生。另外 KH.(\NQ) 中有关参数的定义以及 MS([C+*Q) 头文件也要根据实际情况有所添减。 ! 结束语当所移植的操作系统在目标系统上正常运行，需要处理器处理的各项工作，用户只要分别建立一些任务，并设定其优先级就行了。在 !3 T&’URR系统中每个任务都是一个无限循环的函数，当正在运行的任务进入延时程序或在等待消息时会自动挂起，3@W 运行其它的就绪任务。当某任务运行条件满足时，就进入就绪（下转第 P]页） PP 《工业控制计算机》!""!年 #$卷第 %期（上接第 &&页）状态，操作系统会根据其优先级进行调度，如果它比当前任务优先级更高，就进行任务切换，系统保证永远运行优先级最高的就绪任务。对时间要求严格的任务则可以设定为高优先级，保证及时占有 ’()。只要充分利用该实时嵌入式内核的任务调度，消息传送，邮箱传递，延时等功能，就能将各种运行条件及时的传送到目的任务，保证各种用户任务能在第一时间得到处理。参考文献 # *+,- *./,01233+，著.邵贝贝，译.!’ 423566———源码公开的实时嵌入式操作系统.中国电力出版社，!""#（7） ! 893&!"’$:; <3( ’() (=>?@A=>BCD.8+E,3 6-381)5 9+-83 & 893&!"’$:; <3( 9F=GHF?I 6FDJ>KIJ?HF 3=J.8+E,3 6-381)9+-83 : 893&!"’$:; 2@J?G?L?FM ’ ’HG@?C=>.8+E,3 6-381)5 9+-83 ［收稿日期：!""!.#.&#］一环境，并且有能力对环境作为灵活和自治的反应，以满足设计目标。进一步讲，软件代理是："清晰的问题解决实体，有定义良好的边界和接口；#位于（嵌入在）一个特定的环境，并对环境可作出反应；$被定义去完成特定的目标；%自治的，控制自已的内部状态和行为；&对于设计目标，具有灵活的问题解决能力。类似于 ,M=FJ 概念的一些尝试在计算机科学的先驱 ,.8K>?FM有关密码破译的工作中可以看到NOP。 %.!基于软件代理的软件工程将面向代理的技术应用于软件开发会带来的一些益处。通常，认为处理软件复杂性的方法可以归结为以下三种N!P：分解：处理一个大问题的最基本技术是将其分解为一些小问题，更加容易管理并相对孤立的。抽象：这一过程将定义系统的一个简化模型，只是强调系统中某属性细节，而忽略其它的属性。组织：这一过程标识和管理各个问题解决要素之间的关系。而面向代理的分解方法是划分复杂系统的问题空间更有效的技术；面向代理的抽象机制提供了为复杂的软件系统建模更为自然的方法；面向代理的组织方法更加适应用于复杂的软件系统。 Q 面向 !"#$%&的程序设计方法目前，在软件工业界流行的程序设计方法是面向对象程序设计R22(S，其后提出的一些程序设计方法被称为后面向对象程序设计方法 R(HDJ52TU=IJ (>HV M>BGG?FMW(2(SW 其中一个主要的方法是面向 ,D@=IJ 程序设计方法R,D@=IJ52>?=FJ=X (>HM>BG?FMSN##P。 ,2( 技术是一种改进软件设计和实现中有名的关联分离R3=@B>BJ?HF HY IHFI=>FDS问题 N#"P的有力手段W,2( 方法提供一种显式的机制来处理程序结构中的横向的关联R’>HDDIKJJ?FM IHFI=>FDS。使用传统的程序设计技术处理关联一般采用异常处理、多对象协议、同步化、资源共享等方法，这些方法的不足是对关联处理的模块性，以致程序不易开发和维护。所谓的 ,D@=IJ 是一段代码用来描述在程序中重复出现的一个特性。比如，我们的一个面向对象的图形系统中我们会实现直线类和圆类，在其中均有关于显示更新的有关类方法，我们认为是一种横向的关联，在 ,2( 技术中可以在一 ,D@=IJ 中实现一个模块化的有关显示更新行为，由于是一个单一的模块单元中实现的，使用我们可以将其作为一个设计单位来考虑。 ,2(技术可以看是 22(技术本身局限性的一个补充，它主要从处理程序结构中关联分离问题入手，为我们把握软件开发的复杂性提供另一个有力的机制。参考文献 # Z. (. 0>HH[D.8A= G\JA?IBC GBF5GHFJA.,XX?DHF ]=D5 C=\W#OO$ ! (>=DDGBF.软件工程5实践者的研究之路（第五版）.清华大学出版社，!""# & +. ^BGGBW 1. _=CGW 1. *HAFDHF BFX *. ‘C?DD?X=D <=D?MF (BJJ=>FD.,XX?DHF ]=DC=\W#OO$ : -. 1. *=FF?FMD BFX 9. ]HHCX>?XM= R=XD.S.,M=FJ J=IA5 FHCHM\a YHKFXBJ?HFDW B@@C?IBJ?HFD BFX GB>[=JD.3@>?FM=> ‘=>CBMW#OO7 $ 0. 9=\=>.2TU=IJ5H>?=FJ=X DHYJbB>= IHFDJ>KIJ?HF.(>=F5 J?I= _BCCW#O77 % _. ,. 3?GHF.8A= DI?=FI=D HY JA= B>J?Y?I?BC.968 (>=DDW #OO% Q ’. 3L\@=>D[?.’HG@HF=FJ 3HYJbB>=.,XX?DHF ]=DC=\W #OO7 7 ’H@C?=FW*.2.,XcBFI=X ’dd 3J\C=D BFX 6X?HDG,XX?5 DHF5]=DC=\W1=BX?FMW9,W#OO! O ?D -.’AH>BYBDW,M=FJ 8=IAHCHM\ _BFXTHH[.9I ^>Bb5_?CC，#OOO #" (B>FBDW <..2F JA= I>?J=>?B JH T= KD=X ?F X=IHG@HD5 ?FM D\DJ=GD ?FJH GHXKC=D. ’HGGKF. ,’9 #$W #!W #OQ! ## 3BFX>B eB\ 9?CC=>.,D@=IJ52>?=FJ=X (>HM>BGG?FM 8B[=D ,?G BJ 3HYJbB>= ’HG@C=;?J\W 6+++ IHG@KJ=> W cHCKG= &:W FKGT=> :W !""# #! 田捷，顾明.软件工程环境的集成模型与应用.计算机研究与发展，#OO"（#） !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! &Q

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