摘 要： 基于對ARM11架構(gòu)的啟動模式與內(nèi)存分配的技術(shù)研究，通過對Nucleus內(nèi)核的分析，在ARM11架構(gòu)的芯片上實現(xiàn)Nucleus操作系統(tǒng)的移植。以S3C6410為例，詳細(xì)介紹了從板級初始化到任務(wù)循環(huán)調(diào)度過程中的啟動模塊、中斷設(shè)計、定時器設(shè)計、任務(wù)調(diào)度流程與觸發(fā)方式。目前成功移植于TD-LTE系統(tǒng)中，實現(xiàn)操作系統(tǒng)基本功能的同時滿足了實驗項目中TD-LTE對系統(tǒng)實時性與任務(wù)資源管理的需求。
關(guān)鍵詞： Nucleus操作系統(tǒng)；移植；啟動加載；中斷；任務(wù)調(diào)度
Nucleus操作系統(tǒng)作為一個實時性較強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)具有較高可移植性，目前在ARM（Advanced RISC Machines）架構(gòu)上已經(jīng)成功實現(xiàn)移植，現(xiàn)有文獻(xiàn)中實現(xiàn)多基于較老的ARM7或是ARM9架構(gòu)，并且介紹籠統(tǒng)，和實際結(jié)合不緊密[1-2]。本文詳細(xì)介紹Nucleus在ARM11架構(gòu)上的移植，以S3C6410芯片的實驗數(shù)據(jù)為證，分析在移植過程的內(nèi)存分配、堆棧配置、時鐘、中斷設(shè)置。文中詳細(xì)闡述了具體應(yīng)用于TD-LTE系統(tǒng)時，移植過程中啟動模塊設(shè)計對系統(tǒng)性能的影響，以及內(nèi)核移植中的關(guān)鍵接口和系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度方式。
1 基本啟動流程與內(nèi)存分配
移植過程中的基本流程如圖1所示。
流程中的各個部分的設(shè)置并非是像框圖這樣獨立開來的，在實際的應(yīng)用設(shè)計中各個模塊都是互相有聯(lián)系的，會根據(jù)加載方式的不同、內(nèi)存分配的差異或是具體功能的要求而產(chǎn)生關(guān)聯(lián)性的改變。在后面幾個重要模塊的移植過程介紹中也會對此詳述。
移植的目的在于應(yīng)用，本移植應(yīng)用于TD-LTE無線綜合測試儀中(該產(chǎn)品采用ARM11架構(gòu)的S3C6410芯片)，為該產(chǎn)品實現(xiàn)協(xié)議層的任務(wù)調(diào)度。很多實驗項目中采用手動方式加載啟動模塊，然而在應(yīng)用中，實現(xiàn)一個產(chǎn)品不可能像普通的調(diào)試程序一樣手動加載驅(qū)動與操作系統(tǒng)，然后進(jìn)入任務(wù)調(diào)度，因此需要實現(xiàn)自動加載而利用到Flash。
另外中斷向量表設(shè)置必須從內(nèi)存起始地址0x0000-0000加載[3]，否則無法實現(xiàn)正常硬件中斷,而在中斷產(chǎn)生時使得程序異常終止。在啟動時首先要完成兩個模塊的加載，一是硬件的初始化模塊，需要在SROM啟動調(diào)試模式下燒寫到Flash中，F(xiàn)lash啟動模式下自動加載到0x0c000000上并自動拷貝到0x00000000運行；第二個模塊是操作系統(tǒng)的初始化模塊，在啟動過程中Flash自動燒寫加載到DDR中運行[4]，操作系統(tǒng)模塊同樣需要設(shè)置中斷向量表。然而這時的起始內(nèi)存地址0x00000000已經(jīng)被模塊一占用，因此需要設(shè)計一種機(jī)制在啟動過程中動態(tài)加載操作系統(tǒng)。
這些限制都是在中斷向量表設(shè)置與內(nèi)存分配中需要綜合考慮的。下面介紹兩種方式來實現(xiàn)上述啟動加載，并在后文進(jìn)行比較測試。
1.1 基于MMU的啟動設(shè)計
傳統(tǒng)的MMU（存儲器管理單元）方式，即是在內(nèi)存上做映射。具體方案是在第一部分的硬件初始化程序段中從0x50000000到0x59000000的DDR物理地址做地址映射，實現(xiàn)中在0x50000000到0x51000000部分存放頁表，建立虛擬存儲空間，映射地址為0x00000000到0x08000000，這樣可以在SROM啟動模式和Flash啟動模式下將帶有中斷向量表的操作系統(tǒng)模塊從映射過的0x00000000位置加載，完成中斷向量表設(shè)置[4]。內(nèi)存分配方式如圖2所示。
圖2 MMU方式的內(nèi)存分配模式
但是映射后讀寫系統(tǒng)數(shù)據(jù)時會使用到頁表查詢來計算實際物理地址，影響到系統(tǒng)效率。
1.2 基于重寫的啟動設(shè)計
映射方式雖然設(shè)計與加載方面比較簡單方便，但是由于采用了MMU會產(chǎn)生頁、段等數(shù)據(jù)換算，同時還要兼顧DDR的運行速度，數(shù)據(jù)讀寫速度可能跟不上，因此在設(shè)計過程中也設(shè)計了第二套方案，考慮如何在不使用MMU的條件下實現(xiàn)啟動加載[5]。采用重寫方式來實現(xiàn)。由于函數(shù)調(diào)用會使用到堆棧空間，因此重寫部分必須在操作系統(tǒng)模塊堆棧空間分配完成后實現(xiàn)，采用memcpy()函數(shù)（內(nèi)存復(fù)制函數(shù)）將在0x50000000位置的中斷向量表復(fù)制重寫到0x00000000地址。由于系統(tǒng)在0x50000000后面的地址上運行，這種方法在中斷發(fā)生時會有比較大的內(nèi)存跨越尋址，也會對系統(tǒng)執(zhí)行效率有些許影響。此外這種方法還有一個無法避免的缺點，就是在SROM啟動的調(diào)試模式無法實現(xiàn)，因為S3C6410在該啟動模式下0x00000000是只讀的（無法重寫），因此只能在Flash啟動模式加載。
1.3 兩種啟動方式的性能對比
上述兩種方案各有優(yōu)缺點，因此筆者通過在現(xiàn)實情況比較接近的中斷頻率條件下寫入等量數(shù)據(jù)到相同內(nèi)存下，并比較寫入時間來確定較優(yōu)方案。通過在寫數(shù)據(jù)前后拉高拉低電平來統(tǒng)計時間，在0.5 ms一次的中斷頻率下，寫10萬個8 bit數(shù)據(jù)到操作系統(tǒng)中聲明的相同數(shù)組上，所用時間在示波器上的截圖如圖3所示。
圖中X部分是使用了MMU的映射內(nèi)存啟動模式，10萬8 bit數(shù)據(jù)耗時約2.82 ms，而Y部分所示采用重寫方式下耗時約為1.33 ms，可見采用重寫方式加載中斷向量表具有比較明顯的執(zhí)行效率優(yōu)勢，更能滿足實際需求。當(dāng)然在調(diào)試過程中采用MMU方式是比較便于調(diào)試修改的，無需每次修改后都進(jìn)行Flash燒寫，而且MMU方式對ARM7以上架構(gòu)具有普遍實用性，而重寫方式僅在本實例中實現(xiàn)，因此MMU方式也有其實用性。
2 中斷與定時器
定時器是通過中斷來實現(xiàn)的，這里一并介紹。首先在Nucleus的啟動代碼加載前配置文件存儲區(qū)域結(jié)束地址，通常可采用標(biāo)示符“|Image$$ZI$$Limit|”作為堆棧起始加載地址，避免加載運行后，破壞代碼存儲區(qū)；其次需要在Nucleus內(nèi)核初始化區(qū)域中對高級中斷進(jìn)行配置并設(shè)置堆棧區(qū)域，以支持定時器初始化；然后傳遞堆棧分配結(jié)束地址到應(yīng)用初始化模塊，用于動態(tài)分配內(nèi)存池；最后切換到SVC模式運行系統(tǒng)，方便系統(tǒng)設(shè)置與模式切換。上述幾點是Nucleus內(nèi)核加載配置的幾個關(guān)鍵點。
2.1 硬中斷（低級中斷）
硬中斷是由硬件觸發(fā)的中斷，通過硬件引腳的電平變動觸發(fā)，有最高的實時性，且可以通過公共引腳來實現(xiàn)外部設(shè)備的交互。本文介紹其中3個關(guān)鍵中斷，分別對應(yīng)S3C6410的VIC0、VIC1、VIC28（Vectored Interrupt Controller）寄存器，其中VIC0與VIC1對應(yīng)外部中斷，本文在應(yīng)用中設(shè)計為DSP中斷與FPGA中斷，VIC28對應(yīng)PWM定時器，其他功能性中斷在這里就不贅述。
在設(shè)計中采用IRQ中斷模式，中斷發(fā)生時現(xiàn)場保護(hù)比較重要，值得注意的是在低級中斷中采用C語言自帶的“__irq”做返回值的方法來保護(hù)現(xiàn)場是不可取的，Nucleus硬中斷需要對寄存器做更有針對性的保護(hù)，Nucleus提供了內(nèi)核級接口對現(xiàn)場做詳細(xì)保護(hù)。首先在IRQ中斷入口處對A1到A4寄存器做壓棧保護(hù)，并保存IRQ模式下的lr寄存器，然后調(diào)用Nucleus提供的函數(shù)TCT_Interrupt_Context_Save（內(nèi)核函數(shù)）現(xiàn)場保護(hù)，并在中斷服務(wù)處理完成后調(diào)用TCT_Interrupt_Context_Restore（內(nèi)核函數(shù)）恢復(fù)現(xiàn)場。
2.2 高級中斷
高級中斷可以有效處理低級中斷中需要高效處理或是嵌套處理實時任務(wù)的情況。以本應(yīng)用為例，由于FPGA中斷服務(wù)中做的數(shù)據(jù)處理需要消耗一定的時間，而且在系統(tǒng)IRQ中斷過程中IRQ中斷處于屏蔽狀態(tài)，因此會出現(xiàn)在中斷處理過程中積壓后面的中斷服務(wù)的情況，這里就可以設(shè)置高級中斷，在低級中斷服務(wù)中只需將高級中斷激活，耗時極短，數(shù)據(jù)處理由操作系統(tǒng)在高級中斷中調(diào)度完成。圖4中第一行波形高電平段為FPGA中斷。
此外在有強(qiáng)時序性的任務(wù)調(diào)度中，也可以使用高級中斷來保障時序同時不影響系統(tǒng)低級中斷的實時性。在本應(yīng)用中DSP中斷中的數(shù)據(jù)處理與協(xié)議棧小區(qū)激活部分的數(shù)據(jù)處理都具有強(qiáng)時序性同時由于數(shù)據(jù)處理量較大會影響系統(tǒng)實時性，導(dǎo)致指針號無法對齊或指針號記錄積壓等問題，這里也需要使用高級中斷來激發(fā)任務(wù)，加強(qiáng)系統(tǒng)實時性。圖4中第二行高電平段為DSP中斷數(shù)據(jù)處理。
從圖4中可以看出，采用了高級中斷的FPGA子幀中斷的時間非常的短，幾乎可以忽略不計，第二行的高電平為DSP處理消息時需要耗費的時間長度為465 ?滋s，可見該處理時間較長，若在低級中斷中處理很可能影響到FPGA中斷的時序，從而影響系統(tǒng)時序。在圖中明顯可以看到低級中斷與任務(wù)處理間的調(diào)度時間間隔在微秒級，完全滿足系統(tǒng)實時性的性能指標(biāo)。同時在DSP數(shù)據(jù)處理完成后后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行在第三行波形中顯示出來，運行時序正常。
2.3 定時器設(shè)計與中斷整體設(shè)計
操作系統(tǒng)定時器采用PWM硬件定時器做節(jié)拍計時，根據(jù)TD-LTE無線綜合測試儀的設(shè)計要求，采用了0.5 ms一次的節(jié)拍頻率作為操作系統(tǒng)定時的基本單位。設(shè)計中采用Timer4硬件定時器，并開啟自動重置（Auto-Reload）模式使計時持續(xù)。在每0.5 ms產(chǎn)生一次的定時器硬件中斷中調(diào)用TMT_Timer_Interrupt()函數(shù)（內(nèi)核函數(shù)）來將硬件定時器與Nucleus操作系統(tǒng)關(guān)聯(lián)[6]。整體中斷設(shè)計如圖5所示。
移植應(yīng)用中可以通過PWM調(diào)整定時器單位時間，如果使用了外部設(shè)備中斷產(chǎn)生單位時間中斷，也可作為定時器使用，只需要把TMT_Timer_Interrupt()放在該外部中斷中即可。
3 任務(wù)調(diào)度
根據(jù)TD-LTE無線綜合測試儀中的設(shè)計要求TD-LTE任務(wù)流程與觸發(fā)方式涉及到應(yīng)用初始化與任務(wù)調(diào)度設(shè)置兩個模塊。在應(yīng)用初始化內(nèi)需要做內(nèi)存池初始化、任務(wù)初始化、隊列初始化、時鐘設(shè)置初始化與高級中斷初始化等工作，這些工作比較常規(guī)在這里不再詳述。任務(wù)調(diào)度設(shè)置需要根據(jù)協(xié)議棧各層順序設(shè)置，在各層任務(wù)中需要設(shè)置任務(wù)觸發(fā)方式，任務(wù)流程如圖6所示。
本文采用隊列方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。各任務(wù)間采用消息機(jī)制觸發(fā)并支持搶占，操作系統(tǒng)運行時首先在循環(huán)調(diào)度中按順序調(diào)度任務(wù)并將每個任務(wù)掛起，在此之后的調(diào)度中在每個任務(wù)中檢查隊列中是否有對應(yīng)消息，需要執(zhí)行該層任務(wù)的時候就在前一個任務(wù)中發(fā)送該層對應(yīng)消息到隊列中，檢測到消息后該層任務(wù)從掛起狀態(tài)進(jìn)入就緒或執(zhí)行狀態(tài)，不需要執(zhí)行該層任務(wù)的時候不發(fā)送消息給該層，該層任務(wù)在檢測不到消息的情況下就會掛起任務(wù)等待下一次調(diào)用[7]，在沒有任務(wù)的情況下系統(tǒng)進(jìn)入idle狀態(tài)等待計時器激活或是硬件中斷發(fā)生。其中小區(qū)激活與DSP任務(wù)采用外部硬件中斷機(jī)制激活，外部中斷激活高級中斷，任務(wù)在高級中斷來執(zhí)行，既可以滿足操作系統(tǒng)實時性也可以很好的管理好各層任務(wù)。
操作系統(tǒng)移植過程中不僅需要從硬件角度來實現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運作還需要綜合考慮系統(tǒng)的管理性能與整個系統(tǒng)的執(zhí)行效率和實時性。移植后在ARM Workbench IDE v4.0與RealView Debugger v4.0上編譯調(diào)試，并通過測試板驗證和聯(lián)機(jī)驗證，運行結(jié)果和理論值一致。此移植具有較強(qiáng)的獨立性和穩(wěn)定性，優(yōu)化了系統(tǒng)資源利用率，實現(xiàn)了任務(wù)中斷與任務(wù)調(diào)度的高強(qiáng)度反復(fù)穩(wěn)定運行，符合項目“TD-LTE無線終端綜合測試儀表” 調(diào)試中對系統(tǒng)實時性與資源調(diào)度的要求并應(yīng)用于其中。
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