2009年--外文翻譯---dsp上的通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（譯文）

1、<p>　　中文4085字，2412漢字，13600英文字符</p><p>　　出處：Jiang H, Yu Q S, Wang X L. Design and Implementation of the Universal RTOS on DSP[C]//Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, 2009. WiCom'

2、;09. 5th International Conference on. IEEE, 2009: 1-4.</p><p>　　DSP上的通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)</p><p>　　JIANG Hong, YU Qing-song, WANG Xi-lin</p><p>　　Computer Center</p><p>　　Eas

3、t China Normal University</p><p>　　摘 要：本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DSP的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)GDOS（通用DSP操作系統(tǒng)）。GDOS可以解決當(dāng)前DSP接口不統(tǒng)一，提高GDOS系統(tǒng)應(yīng)用程序的可移植性。此外，GDOS可以改善軟件工程師的效率。GDOS已成功地應(yīng)用于3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器。這3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器當(dāng)前在國(guó)內(nèi)外是一步一個(gè)腳印。</p><p>　　關(guān)鍵詞：

4、DSP；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；任務(wù)；同步；互斥；內(nèi)存管理；日志；可移植性</p><p><b>　　I. 簡(jiǎn)介</b></p><p>　　自1980年以來(lái)，DSP芯片得到了迅速發(fā)展。隨著性價(jià)比的持續(xù)發(fā)展和DSP芯片的開(kāi)發(fā)方法[1,2]，DSP已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如通信、音頻、視頻、圖形、圖像、軍事、自動(dòng)化、家電、汽車(chē)電子系統(tǒng)。</p><p>　

5、　很多制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出自己的DSP應(yīng)用系統(tǒng)和DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)等，德州儀器[3]的DSP BIOS和飛思卡爾[4]的SmartDSP OS。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)減少了DSP軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度和在促進(jìn)DSP技術(shù)的普及和發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。</p><p>　　然而，DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由不同外部接口的不同制造商提供。甚至不同類(lèi)型的DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由不同外部接口的同一制造商提供。DSP軟件開(kāi)發(fā)人員必須熟悉不同的外

6、部接口的DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。當(dāng)DSP應(yīng)用程序被不同的DSP平臺(tái)需要時(shí)，系統(tǒng)移植將相當(dāng)費(fèi)時(shí)。</p><p>　　此外，目前DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的分配和釋放在存儲(chǔ)器中直接得到實(shí)現(xiàn)了。在系統(tǒng)運(yùn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間后，它將會(huì)產(chǎn)生更多的內(nèi)存碎片。內(nèi)存碎片需要外加存儲(chǔ)器的管理開(kāi)銷(xiāo)。</p><p>　　此外，當(dāng)前DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)缺乏一個(gè)統(tǒng)一的日志功能來(lái)支持多種輸出形式。在調(diào)試和運(yùn)行期間收集日志

7、信息時(shí)它會(huì)導(dǎo)致巨大的不便。它還增加了系統(tǒng)維護(hù)的難度。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)并實(shí)施了一個(gè)通用的DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（GDOS）。除了操作系統(tǒng)的常用功能[5]，GDOS有以下特點(diǎn)：</p><p>　　可移植性：GDOS提供了一致的應(yīng)用程序接口，該接口是兼容不同的底層平臺(tái)；</p><p>　　穩(wěn)定性：GDOS提供增強(qiáng)記憶力管理職能，以解決內(nèi)存在RTOS中的碎片化

8、問(wèn)題；</p><p>　　可維護(hù)性：GDOS提供了強(qiáng)大的日志管理功能，以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性；</p><p>　　調(diào)試功能：GDOS提供調(diào)試各功能模塊的功能，使系統(tǒng)穩(wěn)定更迅速。</p><p>　　本文的其余部分的結(jié)構(gòu)如下。第2節(jié)詳細(xì)介紹了GDOS的設(shè)計(jì)和實(shí)施。第3節(jié)測(cè)試和分析了GDOS的性能。第4節(jié)提供了一個(gè)結(jié)論。</p><p>　　I

9、I. GDOS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　基于DSP芯片制造商提供的RTOS，GDOS為不同的應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接口，屏蔽應(yīng)用系統(tǒng)從底層平臺(tái)改造的影響。 GDOS提供了這樣的功能模塊，如多任務(wù)管理，時(shí)鐘管理，同步與互斥，內(nèi)存管理，日志管理和調(diào)試功能。圖1所示為GDOS的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　GDOS多任務(wù)管理功能</p><p>　　GDOS是一個(gè)多任務(wù)

10、的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。多任務(wù)管理功能包括任務(wù)創(chuàng)建和任務(wù)調(diào)度。GDOS中定義了任務(wù)注冊(cè)表。電源后，根據(jù)任務(wù)注冊(cè)表GDOS通過(guò)調(diào)用底層接口的命令來(lái)創(chuàng)建和調(diào)度任務(wù)。應(yīng)用系統(tǒng)只需要提供任務(wù)的入口函數(shù)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)和任務(wù)注冊(cè)表的堆棧大小等信息，但沒(méi)有必要去關(guān)心任務(wù)的創(chuàng)建和調(diào)度的細(xì)節(jié)。</p><p>　　圖1 GDOS結(jié)構(gòu)[6]</p><p>　　GDOS時(shí)鐘管理功能</p><p&g

11、t;　　GDOS的時(shí)鐘管理是基于DSP/ BIOS時(shí)鐘中斷功能。定時(shí)器中斷程序與DSP/ BIOS系統(tǒng)時(shí)鐘相關(guān)聯(lián)。在定時(shí)器中斷（與1ms的周期）例程，1ms計(jì)數(shù)器被積累，</p><p>　　它提供1ms的時(shí)間精度。</p><p>　　GDOS存在兩種定時(shí)器：一個(gè)是由毫秒準(zhǔn)確度的系統(tǒng)時(shí)鐘中斷實(shí)現(xiàn)。這個(gè)定時(shí)器提供的回調(diào)機(jī)制，稱之為‘回調(diào)定時(shí)器’，另一個(gè)不支持定時(shí)器回調(diào)函數(shù)。它檢測(cè)計(jì)時(shí)器是否

12、超時(shí)通過(guò)訪問(wèn)GDOS接口功能，所以我們把它稱為‘延長(zhǎng)定時(shí)器’[7]。擴(kuò)展定時(shí)器的準(zhǔn)確度依賴于系統(tǒng)時(shí)鐘的精度（以毫秒為單位）和應(yīng)用系統(tǒng)的頻率來(lái)檢測(cè)是否定時(shí)器是否超時(shí)。擴(kuò)展定時(shí)器適合循環(huán)調(diào)度。它具有降低系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　GDOS同步與互斥功能</p><p>　　GDOS提供同步和互斥函數(shù)給許多任務(wù)同時(shí)訪問(wèn)的公共資源：當(dāng)沒(méi)有到共享資源的訪問(wèn)時(shí)，允許一個(gè)任務(wù)來(lái)訪問(wèn)它；當(dāng)某個(gè)任

13、務(wù)當(dāng)前訪問(wèn)共享資源時(shí)，其他任務(wù)試圖訪問(wèn)共享資源將不得不等待；當(dāng)任務(wù)完成訪問(wèn)共享資源時(shí)，另一個(gè)在等待隊(duì)列中的任務(wù)被允許訪問(wèn)它。</p><p>　　GDOS提供兩種同步與互斥功能，可滿足應(yīng)用系統(tǒng)的不同要求：鎖變量和信號(hào)燈[8]。</p><p>　　GDOS的鎖變量由DSP/ BIOS接口實(shí)現(xiàn)。通過(guò)底部功能的封裝，GDOS提供一個(gè)統(tǒng)一的接口給鎖變量，包括創(chuàng)建、刪除、鎖定和解除鎖定變量。<

14、;/p><p>　　GDOS的信號(hào)燈也能通過(guò)DSP/ BIOS接口實(shí)現(xiàn)。通過(guò)底部功能的封裝，GDOS提供一個(gè)統(tǒng)一的接口給信號(hào)量，包括創(chuàng)作、P操作、V操作和對(duì)抗檢索信號(hào)燈。</p><p>　　GDOS內(nèi)存管理功能</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)快速，高效的內(nèi)存分配和管理功能，GDOS通過(guò)內(nèi)存池管理內(nèi)存。</p><p>　　內(nèi)存池的核心思想是GDO

15、S啟動(dòng)其任務(wù)前分配所有內(nèi)存來(lái)預(yù)定義小內(nèi)存塊。內(nèi)存塊的管理是通過(guò)雙向鏈表。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)請(qǐng)求內(nèi)存時(shí)，雙向鏈表分配給它一個(gè)合適的存儲(chǔ)塊；而在將來(lái)，應(yīng)用系統(tǒng)釋放內(nèi)存重新分配時(shí)，這個(gè)內(nèi)存塊被重新調(diào)整為雙向鏈表。</p><p>　　GDOS提供了一個(gè)內(nèi)存池的配置表。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)配置表初始化內(nèi)存池。大小相同的內(nèi)存塊是由相同的雙向鏈表管理的。每個(gè)分配給用戶的內(nèi)存塊都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存頭來(lái)存儲(chǔ)內(nèi)存塊的調(diào)試和管理的信息。<

16、/p><p>　　GDOS日志管理功能</p><p>　　日志功能是復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。便捷、高效的日志功能，方便系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，并減少相應(yīng)的人力成本。GDOS的日志管理功能有以下功能：</p><p>　　可控性：GDOS提供不同的日志級(jí)別給不同的功能模塊。模塊的名稱和ID用來(lái)注冊(cè)GDOS。存在五個(gè)日志級(jí)別：細(xì)節(jié)，即時(shí)消息，警告，誤差和致命性。</p

17、><p>　　輸出形式的多樣性：如果通過(guò)模擬器調(diào)試程序，日志通過(guò)JTAG端口輸出到PC上的CCS集成環(huán)境，并顯示在CCS上的STD窗口中。但是程序沒(méi)有通過(guò)模擬器調(diào)試，日志通過(guò)HPI端口導(dǎo)出到主機(jī)CPU。主機(jī)的CPU將根據(jù)實(shí)際情況在一個(gè)合適的表格中顯示日志。</p><p>　　較低的開(kāi)銷(xiāo)：GDOS可以減少內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)以及DSP的調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)。</p><p><b>

18、　　GDOS調(diào)試功能</b></p><p>　　調(diào)試是業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的一個(gè)必然的功能。調(diào)試功能，直接關(guān)系到研發(fā)過(guò)程中系統(tǒng)的速度的穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)維護(hù)的難度和工作量。GDOS為任務(wù)管理，內(nèi)存管理和日志管理提供調(diào)試功能。</p><p>　　GDOS的多任務(wù)管理的調(diào)試功能主要用來(lái)日志異常故障（如DSP停止發(fā)生）時(shí)的狀態(tài)信息。 GDOS也日志任務(wù)切換的信息，以滿足調(diào)試多任務(wù)管理的要求。

19、</p><p>　　GDOS的內(nèi)存管理調(diào)試功能主要用于內(nèi)存統(tǒng)計(jì)信息和內(nèi)存寫(xiě)保護(hù)。GDOS的內(nèi)存統(tǒng)計(jì)功能允許用戶查詢當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)存的分配狀態(tài)（占用內(nèi)存的用量和可用內(nèi)存等），并確定是否存在內(nèi)存泄漏。</p><p>　　GDOS的日志管理調(diào)試功能有助于應(yīng)用系統(tǒng)導(dǎo)出日志信息以便日后調(diào)試。日志信息通過(guò)HPI口導(dǎo)出。在緊急情況下，日志信息可能會(huì)丟失。因此在GDOS中日志信息將被編號(hào)。根據(jù)號(hào)碼是否連續(xù)

20、，用戶可以決定日志信息是否丟失。此外，系統(tǒng)時(shí)間在GDOS的日志信息中也會(huì)自動(dòng)被日志，以幫助用戶分析日志信息。</p><p>　　III. GDOS的系統(tǒng)測(cè)試及性能分析</p><p>　　系統(tǒng)測(cè)試和性能分析是驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施是否滿足系統(tǒng)要求的關(guān)鍵步驟。本文測(cè)試用例的設(shè)計(jì)是驗(yàn)證GDOS的功能是否履行業(yè)務(wù)要求和用戶期望。</p><p>　　GDOS提供登錄管理、多

21、任務(wù)管理、時(shí)鐘管理和內(nèi)存管理的系統(tǒng)測(cè)試和性能分析。</p><p>　　日志管理功能的測(cè)試與分析</p><p>　　GDOS的日志管理功能提供了兩種輸出形式：通過(guò)JTAG端口輸出和通過(guò)HPI端口輸出到主機(jī)CPU。</p><p>　　日志信息通過(guò)HPI端口出口到主機(jī)后，主機(jī)出口日志信息通過(guò)UDP到后臺(tái)。設(shè)計(jì)了稱為UdpWatch的收集日志信息的工具。在PC上運(yùn)行U

22、dpWatch，從主機(jī)和配套子模塊的日志級(jí)別的配置接收日志信息。</p><p>　　日志信息出口到UdpWatch如模塊名稱的信息后，DSP數(shù)字、DSP日志數(shù)、DSP的時(shí)間和日志的內(nèi)容（參見(jiàn)圖2）將被顯示。</p><p><b>　　圖2 日志輸出結(jié)果</b></p><p>　　這表明日志信息可以通過(guò)GDOS的日志管理功能被導(dǎo)出到UdpW

23、atch。有UdpWatch，用戶可以方便地查看日志信息，設(shè)定日志水平。</p><p>　　多任務(wù)管理功能的測(cè)試與分析</p><p>　　為了測(cè)試GDOS的多任務(wù)管理功能，GDOS任務(wù)注冊(cè)表的注冊(cè)有三個(gè)過(guò)程：usr20msTask，usr1msTask，usrResendTask，優(yōu)先級(jí)分別為3，6，7。系統(tǒng)運(yùn)行后，GDOS任務(wù)查詢結(jié)果示于圖3。</p><p>

24、;　　圖3 GDOS任務(wù)查詢的測(cè)試結(jié)果</p><p>　　圖3顯示，該系統(tǒng)具有3個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)任務(wù)。正常狀態(tài)（“OK”）表示三個(gè)任務(wù)已創(chuàng)建成功，并且已經(jīng)正常計(jì)劃。</p><p>　　時(shí)鐘管理功能的測(cè)試和分析</p><p>　　測(cè)試用例的設(shè)計(jì)應(yīng)測(cè)試GDOS的時(shí)鐘管理功能。我們的測(cè)試情況下，創(chuàng)建一個(gè)回調(diào)支持定時(shí)器。定時(shí)器超時(shí)回調(diào)函數(shù)顯示當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間和相關(guān)的提示信息確

25、定定時(shí)器功能。圖4顯示出了測(cè)試結(jié)果。定時(shí)器TestTimer1從610520ms開(kāi)始，長(zhǎng)度為1000毫秒。 TestTimer1分別在611520ms，612520ms，613520ms發(fā)生超時(shí)。</p><p>　　圖4. GDOS時(shí)鐘管理的測(cè)試結(jié)果</p><p>　　圖4顯示，GDOS的系統(tǒng)時(shí)間查詢功能和定時(shí)器功能正常運(yùn)行。這些功能已達(dá)到系統(tǒng)要求，并取得了理想的效果。</p&g

26、t;<p>　　內(nèi)存管理功能的測(cè)試與分析</p><p>　　GDOS的內(nèi)存管理功能提供了一種內(nèi)存信息查詢功能，查詢內(nèi)存池類(lèi)型的信息，每個(gè)內(nèi)存池的內(nèi)存塊的大小，總內(nèi)存塊的數(shù)量、分配內(nèi)存塊的數(shù)量和空閑內(nèi)存塊的數(shù)量等。</p><p>　　圖5. 記憶查詢結(jié)果</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試用例來(lái)測(cè)試GDOS的記憶管理功能。分別申請(qǐng)一個(gè)400字節(jié)的內(nèi)存和

27、一個(gè)600字節(jié)的存儲(chǔ)器測(cè)試案例。根據(jù)內(nèi)存池的分配規(guī)則，400字節(jié)的存儲(chǔ)器應(yīng)該在512字節(jié)的內(nèi)存池中占用內(nèi)存塊，而600字節(jié)的存儲(chǔ)器應(yīng)該在1024字節(jié)的內(nèi)存池中占用內(nèi)存塊。測(cè)試用例執(zhí)行后，內(nèi)存信息顯示如圖5。這表明，512字節(jié)和1024字節(jié)的內(nèi)存池，分別占用一個(gè)內(nèi)存塊。</p><p>　　第2層協(xié)議模塊的測(cè)試與分析</p><p>　　通過(guò)我們的3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器的通信測(cè)試，一個(gè)DSP可以

28、支持70路由語(yǔ)音呼叫，有良好清晰的語(yǔ)音質(zhì)量。經(jīng)過(guò)我們的3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器72小時(shí)滿負(fù)荷的測(cè)試，GDOS運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)任何故障。圖6顯示出第2層協(xié)議模塊的查詢信息，其中'UciuNum'是語(yǔ)音呼叫的路由號(hào)碼，'ScheTime'是20ms的任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間（ScheTime小于20ms表示正常，而大于或等于20ms表示異常。）</p><p>　　圖6. 第2層協(xié)議模塊的查詢結(jié)果<

29、/p><p>　　IV. GDOS的應(yīng)用及效果</p><p>　　GDOS已成功地應(yīng)用于一個(gè)大型電信公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器。它被廣泛應(yīng)用于巴西，羅馬尼亞，利比亞和香港等國(guó)家和地區(qū)，以及北京，天津，沈陽(yáng)，青島，秦皇島，廈門(mén)等城市。無(wú)線通信系統(tǒng)已經(jīng)完全測(cè)試，并受到了用戶的肯定。</p><p>　　在3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器中應(yīng)用GDOS細(xì)化DSP軟件開(kāi)發(fā)。GDOS開(kāi)

30、發(fā)商只負(fù)責(zé)底部的發(fā)展。GDOS提高軟件開(kāi)發(fā)效率，軟件體系結(jié)構(gòu)的可讀性以及系統(tǒng)的可維護(hù)性。</p><p>　　GDOS的強(qiáng)可移植性在其移植到TI C6482和英特爾Jasper Forest時(shí)已經(jīng)充分得到驗(yàn)證。大量的人力通過(guò)GDOS被保存（參考表I和表II?！皞鹘y(tǒng)方法”是指基于底層平臺(tái)直接開(kāi)發(fā)DSP系統(tǒng)）。</p><p>　　表I. 從TI C6414到TI C6482的移植比較<

31、/p><p>　　表II. 從TI C6414到Jasper Forest的移植比較</p><p><b>　　V. 結(jié)論與討論</b></p><p>　　自從高性能的廉價(jià)的DSP芯片的新起，DSP已被廣泛使用。但DSP軟件開(kāi)發(fā)急需一個(gè)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的基于DSP的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（GDOS）。</p><

32、;p>　　GDOS不僅實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)的常用功能，如多任務(wù)管理、時(shí)鐘管理、同步和互斥，也實(shí)施增強(qiáng)了內(nèi)存管理功能。其日志管理和調(diào)試功能，有利于應(yīng)用系統(tǒng)的可維護(hù)性和穩(wěn)定性。此外，GDOS可以降低開(kāi)發(fā)難度和提高DSP應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。GDOS對(duì)DSP應(yīng)用的普及起到了積極的作用。</p><p>　　REFERENCES</p><p>　　[1] Andrew S. Tanenbraum,

33、 Albert S, Woodhull, Operating Systems Design and Implementation, Prentice Hall, Jan 2006.</p><p>　　[2] B. Ackland, P.D Arcy, “A new generation of DSP architectures”, Proceedings of the Custom Integrated Cir

34、cuits Conference, 1999, pp.531-536.</p><p>　　[3] Texas Instruments Inc, TI DSP BIOS User Manual and Driver Development, Qshinghua Publication Press, April 2007.</p><p>　　[4] Dejan Minic, MSC8144

35、 SmartDSP OS Ethernet Demonstration Using the Java GUI, Freescale Semiconductor Inc, May 2007.</p><p>　　[5] P. Lapley, DSP Processor Fundamentals, IEEE Press, New York, 1997.</p><p>　　[6] WANG X

36、i-lin, Design and implementation of the universal RTOS on DSP, East China Normal University, 2008.</p><p>　　[7] SU Hong-qi, YANG Feng, “Research on high-accuracy programmable timer used in acquiring UWB sign