引言

　　隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,，越來(lái)越多的數(shù)字信號(hào)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(jì)方法,，該方法設(shè)計(jì)的程序穩(wěn)定性不高,，流程中任意一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)都將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰甚至死機(jī)。使用RTOS將對(duì)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(yǔ)音編碼的應(yīng)用,。

　　uC/OS-II是一種免費(fèi)應(yīng)且源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，經(jīng)過(guò)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(jià)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(tái)上的低速率語(yǔ)音編碼器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiě)以下三個(gè)文件

　　OS_CPU.H文件

　　包括定義數(shù)據(jù)類(lèi)型,、代碼值界區(qū)的中斷控制,、堆棧增長(zhǎng)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(lèi)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(kāi)中斷,。uC/OS-II定義了兩個(gè)宏來(lái)關(guān)閉/打開(kāi)中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL(),。

　　用OS_STK_GROWTH來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。OS_TASK_SW()函數(shù)模擬一次中斷過(guò)程,，在中斷返回時(shí)進(jìn)行任務(wù)切換,。

　　另外，還聲明了一個(gè)8位變量,，用來(lái)調(diào)用DOS的時(shí)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(xiě)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(jí)最高的就緒任務(wù)。其過(guò)程為：獲得優(yōu)先級(jí)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(gè)任務(wù)級(jí)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(gè)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(huì)調(diào)用OSSched(),。OSSched()查找當(dāng)前就緒最高優(yōu)先級(jí)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(guò)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(lèi)似,，不同的是,，OSIntCtxSw()函數(shù)進(jìn)行中斷級(jí)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(huì)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(huì)自動(dòng)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(lái)初始化任務(wù)的堆棧,。OSTaskStkInit()與調(diào)用它的函數(shù)有三個(gè)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(yǔ)言改寫(xiě)，在TMS320C54X中實(shí)現(xiàn)如程序列表4,。(程序列表1~4,，均見(jiàn)本刊網(wǎng)站 http://www.eaw.com.cn)

　　基于uC/OS-II的低速率語(yǔ)音編碼器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中，低速率語(yǔ)音編碼器的功能有語(yǔ)音編碼,、語(yǔ)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(jì)

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

　　任務(wù)層設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中共有七個(gè)任務(wù),，其優(yōu)先級(jí)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(jì)思路為：被監(jiān)視任務(wù)正常運(yùn)行時(shí)其執(zhí)行時(shí)間是可預(yù)估的,，被監(jiān)視任務(wù)在其即將運(yùn)行完畢時(shí)向監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息說(shuō)明自身運(yùn)行正常,。被監(jiān)視任務(wù)運(yùn)行時(shí)，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(shí)間被設(shè)定為預(yù)計(jì)的任務(wù)正常運(yùn)行所需的最大時(shí)間。若等待時(shí)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(kāi)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(shí)間已過(guò),，監(jiān)視任務(wù)仍未收到消息，則系統(tǒng)的時(shí)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(duì)CPU的控制權(quán)并采取相應(yīng)的糾錯(cuò)方案。

　　操作系統(tǒng)層設(shè)計(jì)

　　在應(yīng)用中,，各個(gè)任務(wù)之間都有數(shù)據(jù)要交換,，本設(shè)計(jì)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(yǔ)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(lái)的消息,，以接收來(lái)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(lái)的消息,，以接收用于D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào),。回波抵消任務(wù)需要等待的消息來(lái)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(lái)的消息,，確認(rèn)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行,。

　　在運(yùn)行過(guò)程中，操作系統(tǒng)對(duì)各任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,。其動(dòng)作為：

　　系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),，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(shí)，監(jiān)控任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高,，查詢(xún)消息隊(duì)列,，沒(méi)有消息的到來(lái)，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(lái)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(lái)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(shí)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(huì)重啟系統(tǒng),。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文在TMS320C54X的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)uC/OS-II，并針對(duì)傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的低速率語(yǔ)音編碼器穩(wěn)定性不佳的問(wèn)題,，提出了基于uC/OS-II的低速率語(yǔ)音編碼器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案,。由于低速率語(yǔ)音編碼器通常是單片的，內(nèi)部任務(wù)相對(duì)較少,。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核來(lái)管理這些任務(wù),，會(huì)增加系統(tǒng)的內(nèi)存和CPU時(shí)間的消耗，而任務(wù)調(diào)度的優(yōu)勢(shì)不能很好地顯示出來(lái),，該設(shè)計(jì)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(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)低速率語(yǔ)音編碼器，有利于系統(tǒng)的后繼開(kāi)發(fā),。

　　參考文獻(xiàn)

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