引言

　　隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,，越來越多的數(shù)字信號處理芯片應(yīng)用于各行各業(yè)。但是,，以往多數(shù)的DSP 系統(tǒng)是基于流程圖的設(shè)計方法,，該方法設(shè)計的程序穩(wěn)定性不高，流程中任意一個環(huán)節(jié)出錯都將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰甚至死機(jī),。使用RTOS將對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的改善,。使應(yīng)用模塊化，可極大提高程序的可讀性,、可擴(kuò)展性和可移植性,。

　　TI公司的定點(diǎn)DSP處理芯片TMS320C54X是目前應(yīng)用比較廣泛的一種DSP芯片，具有功耗低,、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn),，適合低速率語音編碼的應(yīng)用。

　　uC/OS-II是一種免費(fèi)應(yīng)且源代碼公開的實(shí)時內(nèi)核,，經(jīng)過多年的實(shí)際應(yīng)用,，顯示出強(qiáng)大的功能和巨大的商業(yè)價值。本文實(shí)現(xiàn)了uC/OS-II在TMS320C54X上的移植,，并提出了在uC/OS-II的平臺上的低速率語音編碼器的系統(tǒng)設(shè)計方案,。

　　uC/OS-II在TMS320C54X上的移植

　　要實(shí)現(xiàn)uC/OS-II的移植，主要改寫以下三個文件

　　OS_CPU.H文件

　　包括定義數(shù)據(jù)類型,、代碼值界區(qū)的中斷控制,、堆棧增長方向變量、任務(wù)切換函數(shù)定義和變量聲明,。TMS320C54X中的堆棧數(shù)據(jù)類型為16位,，定義為：

typedef unsigned int OS_STK

　　在TMS320C54X中所有的堆棧都必須用OS_STK聲明。

　　RTOS在進(jìn)入系統(tǒng)臨界區(qū)之前必須關(guān)閉中斷,，退出臨界區(qū)后再打開中斷,。uC/OS-II定義了兩個宏來關(guān)閉/打開中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。

　　用OS_STK_GROWTH來設(shè)置,，OS_STK_GROWTH為0表示堆棧從低地址向高地址遞增,；OS_STK_GROWTH為1表示堆棧從高向低地址遞減，TMS320C54X中,，堆棧地址是由高向低遞減的,。

　　在uC/OS-II中，OS_TASK_SW()用來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換,。OS_TASK_SW()函數(shù)模擬一次中斷過程,，在中斷返回時進(jìn)行任務(wù)切換,。

　　另外，還聲明了一個8位變量,，用來調(diào)用DOS的時鐘節(jié)拍函數(shù),，在TMS320C54X中應(yīng)該屏蔽掉。

　　OS_CPU_A.ASM文件

　　在此文件中,，需改寫函數(shù)：OSStartHighRdy(),、OSCtxSw()、OSIntCtxSw(),。

　　OSStartHighRdy (0)函數(shù)由Sstart()函數(shù)調(diào)用,，功能是運(yùn)行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。其過程為：獲得優(yōu)先級最高任務(wù)的TCB地址→設(shè)置堆棧指針→恢復(fù)任務(wù)環(huán)境→中斷返回→運(yùn)行新任務(wù),。在TMS320C54X中實(shí)現(xiàn)如程序列表1,，其中,，CONTEXT_RESTORE是將C54X中的寄存器出棧的宏定義,，在此不再詳述。

　　OSCtxSw()函數(shù)是一個任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù),。軟中斷向量指向此函數(shù),。在uC/OS-II中，如果任務(wù)調(diào)用了某個函數(shù),，而該函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果可能造成系統(tǒng)任務(wù)的重新調(diào)度,，則在函數(shù)的末尾會調(diào)用OSSched()。OSSched()查找當(dāng)前就緒最高優(yōu)先級任務(wù),，如果不是當(dāng)前任務(wù),，則找到該任務(wù)TCB的地址，并拷貝到變量OSTCBHighRdy中,，然后通過宏OS_TASK_SW()執(zhí)行軟中斷調(diào)用OSCtxSw()進(jìn)行任務(wù)切換,。變量 OSTCBCur始終包含指向當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)TCB的指針。在TMS320C54X中實(shí)現(xiàn)如程序列表2,。

　　OSIntCtxSw()函數(shù)與 OSCtxSw()函數(shù)類似,，不同的是，OSIntCtxSw()函數(shù)進(jìn)行中斷級任務(wù)切換,。中斷可能引起任務(wù)切換,，在中斷服務(wù)程序的最后會調(diào)用 OSIntExit()函數(shù)檢查任務(wù)就緒狀態(tài)，如果需要進(jìn)行任務(wù)切換,，則調(diào)用OSIntCtxSw(),。值得注意的是，產(chǎn)生中斷后,，CPU寄存器會自動被保存,，所以,，在此函數(shù)中不再進(jìn)行環(huán)境保存。在TMS320C54X中實(shí)現(xiàn)如程序列表3,。

　　OS_CPU_C.C文件

　　在此文件中,，只需修改 OSTaskStkInit()函數(shù)。OSTaskStkInit()由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt() 調(diào)用,，用來初始化任務(wù)的堆棧,。OSTaskStkInit()與調(diào)用它的函數(shù)有三個參數(shù)進(jìn)行傳遞：任務(wù)代碼起始地址(task)，參數(shù)指針 (pdata),，任務(wù)堆棧頂?shù)刂?ptos),。為提高代碼效率，此函數(shù)用匯編語言改寫,，在TMS320C54X中實(shí)現(xiàn)如程序列表4,。(程序列表1~4，均見本刊網(wǎng)站 http://www.eaw.com.cn)

　　基于uC/OS-II的低速率語音編碼器系統(tǒng)設(shè)計

　　本系統(tǒng)中,，低速率語音編碼器的功能有語音編碼,、語音解碼、回波抵消,、模擬接口,、數(shù)字接口等。另外,，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，增加了空閑任務(wù)和監(jiān)視任務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)由里向外分為三層：操作系統(tǒng)層,、任務(wù)層、硬件層,。

　　硬件層設(shè)計

　　硬件層設(shè)計主要包括串口和HPI口,，用于接收(發(fā)送)語音信號和信道上的數(shù)據(jù)。

　　任務(wù)層設(shè)計

　　本系統(tǒng)中共有七個任務(wù),，其優(yōu)先級從高到低依次為：監(jiān)控任務(wù),、模擬接口任務(wù)、數(shù)字接口任務(wù),、回波抵消任務(wù),、編碼任務(wù)、解碼任務(wù),、Idle任務(wù),。各任務(wù)的狀態(tài)有4種，即等待態(tài)和掛起態(tài),、就緒態(tài),、運(yùn)行態(tài)以及中斷態(tài),，狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

圖2 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　監(jiān)視任務(wù)設(shè)計思路為：被監(jiān)視任務(wù)正常運(yùn)行時其執(zhí)行時間是可預(yù)估的,，被監(jiān)視任務(wù)在其即將運(yùn)行完畢時向監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息說明自身運(yùn)行正常,。被監(jiān)視任務(wù)運(yùn)行時，監(jiān)視任務(wù)處于等待態(tài),，等待被監(jiān)視任務(wù)給它發(fā)送消息,，等待時間被設(shè)定為預(yù)計的任務(wù)正常運(yùn)行所需的最大時間。若等待時間內(nèi)監(jiān)視任務(wù)收到消息,，則認(rèn)為發(fā)送消息的任務(wù)運(yùn)行正常,，依照各任務(wù)執(zhí)行順序的先后下一任務(wù)開始運(yùn)行，監(jiān)視任務(wù)等待下一任務(wù)發(fā)送的消息,。若等待時間已過,，監(jiān)視任務(wù)仍未收到消息，則系統(tǒng)的時間管理函數(shù)將強(qiáng)行把監(jiān)視任務(wù)視為就緒態(tài),。因監(jiān)視任務(wù)的優(yōu)先權(quán)是最高的,，它將搶占對CPU的控制權(quán)并采取相應(yīng)的糾錯方案。

　　操作系統(tǒng)層設(shè)計

　　在應(yīng)用中,，各個任務(wù)之間都有數(shù)據(jù)要交換,，本設(shè)計中采用消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信。編碼任務(wù)需要模擬接口任務(wù)發(fā)送的消息,，以接收用于編碼的語音數(shù)據(jù)；數(shù)字接口任務(wù)需要編碼任務(wù)發(fā)送的消息,，以接收用于發(fā)往信道的編碼數(shù)據(jù),；解碼任務(wù)需要數(shù)字接口任務(wù)發(fā)來的消息，以接收來自信道的用于解碼的解碼字,；模擬接口任務(wù)需要解碼任務(wù)發(fā)來的消息,，以接收用于D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字語音信號?；夭ǖ窒蝿?wù)需要等待的消息來自模擬接口任務(wù)和解碼任務(wù),。監(jiān)控任務(wù)接收所有其任務(wù)發(fā)來的消息，確認(rèn)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行,。

　　在運(yùn)行過程中,，操作系統(tǒng)對各任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。其動作為：

　　系統(tǒng)啟動時,，建立所有的任務(wù),，除回波抵消任務(wù)外，都處于就緒態(tài),；

　　此時,，監(jiān)控任務(wù)優(yōu)先級最高,，查詢消息隊列，沒有消息的到來,，轉(zhuǎn)為等待態(tài),；

　　模擬接口任務(wù)運(yùn)行，接收/發(fā)送數(shù)據(jù),，發(fā)數(shù)據(jù)給回波抵消任務(wù),，并使回波抵消任務(wù)處于就緒態(tài)；如條件達(dá)到(如幀數(shù)已夠),，向編碼任務(wù)發(fā)消息,，傳送數(shù)據(jù)，運(yùn)行完畢,，自行進(jìn)入掛起態(tài),，等待下一次串口中斷將其轉(zhuǎn)為就緒態(tài)；

　　數(shù)字接口任務(wù)運(yùn)行,，接收/發(fā)送數(shù)據(jù),，如條件達(dá)到(如編碼字?jǐn)?shù)夠)，向解碼任務(wù)發(fā)消息,，傳送數(shù)據(jù),，運(yùn)行完畢，自行進(jìn)入掛起態(tài),，等待下一次串口中斷(或HPI中斷)將其轉(zhuǎn)為就緒態(tài),；

　　如消息足夠，回波抵消任務(wù)運(yùn)行,，運(yùn)行完畢,，自行處于掛起態(tài)；

　　編碼任務(wù)運(yùn)行,，如有模擬接口任務(wù)發(fā)來的消息,，則運(yùn)行，編碼完畢,，向數(shù)字接口發(fā)消息,；否則，處于等待態(tài),；

　　解碼任務(wù)運(yùn)行,，如有數(shù)字接口任務(wù)發(fā)來的消息，則運(yùn)行,，解碼完畢,，向模擬接口任務(wù)和回波抵消任務(wù)發(fā)消息；否則,，處于等待態(tài),；

　　在所有任務(wù)都執(zhí)行完畢后,，Idle任務(wù)運(yùn)行。

　　由于所有的任務(wù)都有嚴(yán)格的執(zhí)行時間限制,，因此,，上述的任務(wù)流程在正常情況下可以順利進(jìn)行。否則,，監(jiān)控任務(wù)會重啟系統(tǒng),。

　　結(jié)語

　　本文在TMS320C54X的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)uC/OS-II，并針對傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的低速率語音編碼器穩(wěn)定性不佳的問題,，提出了基于uC/OS-II的低速率語音編碼器系統(tǒng)設(shè)計的方案,。由于低速率語音編碼器通常是單片的，內(nèi)部任務(wù)相對較少,。使用實(shí)時內(nèi)核來管理這些任務(wù),，會增加系統(tǒng)的內(nèi)存和CPU時間的消耗，而任務(wù)調(diào)度的優(yōu)勢不能很好地顯示出來,，該設(shè)計有一定局限性,。但是，在系統(tǒng)的內(nèi)存足夠大,、CPU運(yùn)行速度足夠快的情況下,，使用實(shí)時內(nèi)核設(shè)計低速率語音編碼器，有利于系統(tǒng)的后繼開發(fā),。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 Jean J.Labrosse. uC/OS-II-源碼公開的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)[M],，邵貝貝 譯. 中國電力出版社，2001

　　2 張雄偉.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M]. 電子工業(yè)出版社,，2000