摘要：介紹了一個在探地雷達信號處理機中應用實時操作系統的例子，對硬件結構和軟件設計都做了說明，并歸納了TI（德州儀器）為其公司的DSP量身訂做的嵌入式操作系統DSP／BIOSⅡ的一些特點以及在應用中值得注意的問題。 關鍵詞：探地雷達；TMS320C55x；實時操作系統；DSP／BIOSⅡ 隨著DSP（數字信號處理器）性能的改進，應用范圍的擴大，特別是在消費類電子產品的應用日益增加，DSP除了繼續承擔傳統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、線程管理能力更強的MCU或CPU來完成。嵌入式實時操作系統的應用解決了DSP系統開發中的2個重要的問題：一是可以保證系統響應的實時性，二是使復雜的多線程多任務的軟件系統的開發變得相對簡單易行。 DSP平臺的信號處理機一般只是整個系統的一個專用于信號處理算法的子部分，不需要控制太多的外設，而且為了滿足實時信號處理，盡量采用前后臺式的線性程序結構。 本設計的信號處理機是希望以他為主體構成一個完整的便攜式雷達系統，除了信號處理的任務之外，采樣、顯示、通信等多種任務也必須由他來完成，需要滿足實時多任務的要求，所以必須使用嵌入式實時操作系統。本文主要介紹了為什么使用實時操作系統以及基于DSP／BIOSⅡ實時操作系統的總體軟件設計思想和方案。 1、總體硬件方案設計 本信號處理機以TMS320C5509作為整個系統的核心，由于考慮到圖像的緩存需要較大的存儲空間，所以擴展了三星公司的16 Mb的SDRAM——KM416S1020C作 為擴展存儲器。整個系統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，并啟動A／D對采樣頭傳來的模擬信號進行采樣，DSP接收之后做相應的信號處理，根據鍵盤的設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接口將數據傳送到PC機存儲以便做進一步的處理和顯示。總體硬件框圖如圖1所示。 TMS320C5509數字信號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，達到了每個MIPS只需0．05 mW的水平，與市場上的主流產品TMS320C54x相比，功耗降低了6倍。TMS320C5509的內核是從TMS320C54x上發展而來的，所以可以完全兼容現在市場主流的TMS320C54x系列處理器的指令，既保護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習就可以編寫他的軟件。同時，TMS320C5509中還集成了大量諸如AD，USB控制器之類的片內外設，使其成為了一款具有SOC（片上系統）性質處理器，用戶只需外加很少的輔助器件就可以構成一個較完整的DSP系統。從以上特點可以看出，TMS320C5509非常適合于應用在便攜式系統中。 2、實時操作系統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芯片設計的嵌入式實時多任務操作系統。主要由5個部分組成： （1）線程和調度（Procedure and Scheduling） DSP／BIOSⅡ提供了4種不同的執行線程，包括HWI（硬中斷任務）、SWI（軟中斷任務）和TSK（任務）等，每一類線程又具有不同的執行、掛起、休眠等特性。DSP／BIOSⅡ支持基于靜態優先級的調度方法，又可以通過修改內核提供搶先式多任務服務。 （2）硬件抽象（Hardware Abstraction） 他提供了PIP和SIO兩種數據傳輸模式，可以方便DSP與外設之間的數據交換。Pipe（數據管道）使用了較少的內存，并且傳輸的速度快、效率高。SIO（流）對內存有了更高的抽象，便于創建設備驅動程序更加結構化的方法。 （3）資源管理（Resoure Management） 利用DSP／BIOSⅡ的邏輯接口可以對特定的硬件部分進行訪問和配置。DSP／BIOSⅡ不僅可以通過其設置工具來定義內存映射、中斷向量表而且還可以設置定時器、串行口等硬件設備。 （4）通信和同步（Communication and Synchronization） 　　DSP／BIOSⅡ支持旗語（Semaphores）、郵箱（Mailbox）和數據隊列（Queue）等多種內部線程通信和同步的方式。旗語是最主要的同步方式，可以使任務通過旗語來運行和掛起，還可以用互斥旗語來管理緩沖區和設備。 （5）實時分析（Real-Time Analysis） 實時分析工具能夠讓開發者在程序執行期間對DSP進行交互和診斷。DSP／BIOSⅡ不僅提供了常用的日志（LOG），STS，TRC模塊，還提供了CPU負載圖（CPULoad Graph）、執行圖（Execution Graph）等多種更方便的調試和觀察工具。 3、基于DSP／BIOSⅡ實時操作系統的軟件結構設計 使用DSP／BIOSⅡ來做項目的第一步就是模塊劃分，即把項目所要完成的功能拆分成幾個相對獨立的線程來完成（可以認為線程在運行時是獨占DSP的），根據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，用到硬中斷的任務放到HWI來完成，用到定時器的任務可以放到PRD（周期任務）中完成。然后是確定線程之間的關系，根據他來設定各個線程的優先級，以及用 什么方式通訊和交換數據。旗語是最便于使用的通訊方式。 探地雷達信號處理機的信號處理過程：A／D每采來一列數據之后給DSP發一個硬中斷信號，每接收到一列數據之后，DSP對這列數據分別進行平均濾波和自適應濾波，同時進行列計數；當列計數到達一幀時，對這一幀圖像信號進行小波去噪處理和脈沖壓縮，最后根據鍵盤的設定把圖像顯示到圖形液晶上，并通過USB接口送到PC主機，以便下一步的處理。 根據以上的執行過程，整個軟件分解為12個獨立的任務，其中列中斷、USB數據傳送這2個模塊是HWI（硬中斷）類型的任務，鍵盤模塊屬于PRD（周期性）任務（完成對鍵盤定期掃描），其余模塊是SWI（軟中斷）類型的任務。初始化任務完成對DSP的初始設定后就刪除；列中斷任務負責給DSP發送列數據來臨信息，觸發列平均、列自適應任務，完成對一列數據的去噪處理；列計數模塊完成對列中斷的計數，當到達一幀時，發送幀中斷，觸發一系列針對幀的數據處理任務；整個軟件系統的執行流程如圖2所示。 DSP／BIOSⅡ作為一種商用的操作系統，提供給便于使用的圖形配置界面。使用圖形界面可以幫助開發者快速開發程序，不必寫繁瑣的初始化程序，而可以用圖形界面配置后讓編譯器自動生成。比如對于串行口（MCBSP）的設置就需要配置中斷源、數據格式、收發頻率等十幾個寄存器，麻煩而且容易出錯，但是如果使用圖形界面來設置，一切就容易多了。圖形配置界面不僅可以完成對硬件資源的設置，還可以對任務、信號量進行初始化，完成了他，也就完成了使用DSP／BIOSⅡ的第二步工作。完成各個線程程序的編寫之后，編譯并載入DSP中運行。DSP首先初始化，然后從MAIN（）函數跳入任務循環隊列，按照優先級執行隊列中的任務，而任務一般都是無限循環的，只被特定的信號量掛起。 DSP／BIOSⅡ提供了強大的分析調試工具。除了常用　　的方法之外，CPU負載圖和執行圖是兩種非常有效的方法。CPU負載圖提供的是目標CPU的負載曲線。CPU負載的定義是除去執行最低優先級任務以外的時間量。最低優先級任務是只在其他線程都不運行時才執行的任務。因此，CPU負載圖包括從目標向主機傳送數據和執行附加后臺任務所需的時間。在執行圖中，可以看到各個線程的活動方式。圖形中還包括了信號量的活動，周期性函數標記（tick）和時鐘模塊標記。執行圖能從整體上看到項目所有線程的活動狀態。根據調試得到的信息可以評估線程的執行情況和CPU的負荷情況，配合其他調試工具，修改設計直到完成項目的功能需要。 CPU負載圖反映的是軟件系統所需要的性能和CPU實際最大性能的比值，像PC機上性能統計圖，如果所需的性能大于DSP的實際性能，就必須修改設計、優化算法、加快時鐘頻率，甚至更換性能更高的DSP芯片。 執行圖顯示了各個任務執行過程中的細節信息，對于嵌入式應用而言，實時性是非常重要甚至是必須滿足的條件，操作系統按很小的間隔進行調度就是力圖保證系統響應的實時性。但是在實際中，如果任務分配不好，使得任務不能在調度間隔內完成，就會影響整個系統的實時性，這時，必須對任務劃分作合理的修改。比如本系統中對一列數據的去噪處理，原先是等到一幀數據來到后再做的，仿真中發現這樣使得一幀間隔內所要執行的任務過多，DSP無法完成，所以將數據的預處理改到每一列去做，保證系統的實時性。 4、DSP／BIOSⅡ操作系統使用中要注意的問題 （1）很好地使用DSP／BIOSⅡ的關鍵在于很好地理解操作系統，這有點像算法理論和應用算法的關系。操作系統凝聚了軟件領域幾十年發展中的精華，有很多概念和結構是需要很深入的理解和思考的，所以，初學者一定得反復看看一些專門講操作系統的書籍。 （2）任務必須寫成下面2種形式之一。 在DSP／BIOSⅡ開發環境里沒有要求顯示調用OSTaskDel（），這是因為開發環境自動做了處理，實際原理都是一樣的。 5、結束語 本文對探地雷達信號處理機的硬件結構和軟件設計都做了介紹，重點介紹了如何在項目應用中使用DSP／BIOSⅡ實時嵌入式操作系統。實時嵌入式操作系統在國外得到廣泛的應用，已成為嵌入式系統設計中必不可少的一部分，但是在國內高校，以DSP為核心的嵌入式平臺中，嵌入式操作系統的應用很有限。所以快速利用這方面的最新技術，提高嵌入式系統開發的層次和深度是刻不容緩的。 參考文獻 ［1］TI．TMS320 DSP／BIOSuser′s guide．SPRU423，February，2001． ［2］TI．TMS320C5000 DSP／BIOSapplication programming interface（API）reference guide．SPRU404C，April，2001． ［3］邵貝貝.UC/OS-Ⅱ——-源碼公開的實時嵌入式操作系統［M］．北京：中國電力出版社，2001． ［4］劉樹軍．TMS320C55x嵌入式實時多任務系統DSP／BIOSⅡ［J］．嵌入式系統，2002．