基于Ti6678 DSP的最小化OS适配设计与实现

董延军，曹 原，项 涛

（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065）

1 关于操作系统的概述

早期的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）资源少、功能单一、运行的应用程序规模小，不足以支撑也不需要运行操作系统，简单的控制程序就可以实现相应的功能。随着DSP硬件的功能越来越多，性能越来越强，应用软件功能变得复杂、规模变大、跨DSP移植性需求变强烈，构建DSP的操作系统就有了实际价值。Ti6678 DSP是德州仪器公司基于其KeyStone架构的8核浮点型处理器，单核运行频率达1.2 GHz，是当前最为先进的DSP芯片。操作系统是系统资源的管理者，隔离了底层的硬件差异，向应用提供了统一的与硬件无关的功能接口。最基本的操作系统应该具有多任务、任务间通信、存储管理、Cache管理等，在这之下需要基本硬件驱动的支持，下面将从这些方面逐层介绍。

2 基本硬件驱动设计

操作系统对于底层硬件的依赖，通过称为板级支持包（Board Support Package，BSP）的软件进行了屏蔽，BSP对下实现各种不同硬件的具体操作，对上为操作系统提供统一的不变的操作接口，保持了操作系统的独立性。一般的BSP至少包含了串口、网卡、时钟、中断控制器、Flash几类基本驱动，串口实现了打印输出，网卡实现了调试通信通路，时钟是基本内核定时和切换的时间基准来源，中断控制器实现多种中断的管理，Flash实现程序的固化运行。

Ti6678 DSP上实现最小运行的操作系统（Operating system，OS），可在这个基础上进一步简化，调试环境借助Ti公司提供的控制及计算系统（Control and Computation System，CCS），该集成开发环境可以实现编辑、编译、调试、运行等功能，具体嵌入式操作系统配套的开发环境和编译器可以暂不实现集成；调试输出显示借助CCS的虚拟终端、串口驱动可以暂不实现；调试使用USB接口的仿真器，网络驱动可以暂不实现；固化借助CCS自带的烧写方式，Flash驱动可以暂不实现。所以只剩下中断控制器和时钟两种驱动的实现。以Ti公司提供的库函数（Chip Support Library，CSL）库为基础进行改造，封装为符合具体操作系统要求的操作接口，进行中断控制器的初始化，中断线使能、时钟初始化、时钟中断处理等，为最小化OS的运行提供基本运行环境支持，并提供维持运行的基准时钟来源。

3 操作系统功能裁剪

完整的嵌入式操作系统在基本内核的基础上，具有任务管理、任务间通信、内存管理、中断/异常管理、定时器管理以及调试代理、通信管理、加载程序管理等功能，还可能包括多核间通信组件[1]，如图1所示。

图1 操作系统基本功能模块

在完整的操作系统功能上进行裁剪，定义出最小操作系统的功能，主要实现包括图1中阴影部分所示的5个基本单元任务管理、任务间通信、内存管理、时钟/定时器管理、运行时库。这些模块包含了以下主要功能：

（1）多任务支持，支持多任务并发执行，实现对任务的创建、启动、挂起、删除等操作。（2）任务调度，通过优先级可抢占调度机制实现系统的强实时性；对同等优先级任务可通过时间片轮转实现均衡调度。（3）任务通信，提供机制实现任务间基本的通信、同步和互斥操作，包括信号量、环形缓冲。（4）内存管理，DSP的内存本身较小，整个系统运行在实地址模式，所以内存管理主要是管理有限的堆栈资源，使得应用可以使用标准C接口申请、释放内存。（5）服务接口，是应用感知操作系统存在媒介，提供覆盖操作系统各类功能的服务接口，使得应用程序保持独立性，方便维护及跨平台移植。

4 任务上下文切换设计

任务切换上下文是操作系统适配特定硬件平台重要的方面，也是最小系统运行最为关键的工作。任务上下文的结构该如何设计、切换的时候应该切换哪些内容，都是跟硬件设计密切相关的问题。在Ti6678中，一共包含了A，B两组各32个32位的通用寄存器，可以作为64个32位寄存器，也可以作为32个64位寄存器，还可以作为16个128位的寄存器，在文章设计的最小系统中将把寄存器看作是64个独立的32位寄存器使用。根据TiC6000的EABI手册，其中A4，A5作为函数调用时的第一个参数寄存器，同时作为函数返回值寄存器，B4，B5为第二个参数寄存器，依次类推，最多可以有传递10个参数。B15作为栈指针SP，据此设计出任务上下文切换结构，如下所示：

将所有的通用寄存器在上下文切换的时候都将进行保存和恢复，保存前驱任务上下文到任务栈中，恢复后继任务的上下文到当前的运行栈。

5 固化运行设计

嵌入式系统最终总是要固化运行的，也是最小化OS适配设计的最后一步。为了最小化设计和具体工作，采用CCS环境中的norwriter6678烧写工程，将最终的操作系统及应用为一体的映像文件烧写到外部存储器接口（External Memory Interface，EMIF）的SPI Flash中，然后拨动跳线至SPI启动，重新上电完成启动。要特别注意，CCS中编译生成的.out文件是不能直接烧写的，必须进行一系列的转化生成符合要求的.dat文件[2]，才可以烧写到SPI Flash中。映像文件转换过程如图2所示。

图2 映像文件的转换过程

6 最小OS的验证

按照上述最小化系统的设计，以μC/OS-II操作系统[3]为例，进行功能裁剪和上下文切换的实现。在CCS6.1.3的环境下，将CSL、裁剪后的操作系统源码编译成静态库。然后创建main工程，构建TASK1，TASK2两个测试任务，进行编译、链接，形成可下载运行的main.out，使用Ti官方的6678EVM开发板，Blackhawk XDS560v2-USB仿真器进行加载调试，在CCS的模拟终端循环打印信息，运行结果如图3所示，在固化方式运行时借助LED点灯的方式表明两个任务运行正常。

图3 测试运行结果

7 结语

Ti6678是当前性能最高、使用最为广泛的DSP，也是能够较好支撑操作系统运行的主流DSP。现在已经出现多款DSP操作系统，包括SYS/BIOS，Oseck等，要么比较庞大，要么价格昂贵，文章所述的最小化OS的设计与实现，可实现调试和固化运行，是一个完整的过程，适合于小型系统构建者和DSP学习人员参考和实践，规模小，运行稳定，出现问题易排查。