為FPGA軟處理器選擇操作系統(tǒng)

在本文中，我們研究了選擇嵌入式操作系統(tǒng)的各種方案，并且針對(duì)嵌入式和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，討論一些選擇標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)調(diào)由可編程邏輯解決方案引入的設(shè)計(jì)折衷。闡述了一個(gè)典型實(shí)例，這里我們以在萊迪思半導(dǎo)體公司的FPGA 上運(yùn)行的LatticeMico32軟處理器設(shè)計(jì)為例提供一個(gè)典型方案的討論。
　
　　引言

　　操作系統(tǒng)能夠提高可移植性，并提供多種經(jīng)過測(cè)試的抽象層，服務(wù)層和應(yīng)用模塊層以供選擇，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間并減少應(yīng)用程序出錯(cuò)的可能性。然而，選擇一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)( OS )從來就不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，因?yàn)榧汕度胧杰浖姆绞竭x擇余地很大，你可以完全都由自己來編寫，或通過商業(yè)定制專門實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，也可以直接購(gòu)買通用操作系統(tǒng)不作任何修改，現(xiàn)成的通用操作系統(tǒng)。FPGA性能的提高和軟處理器核的出現(xiàn)，直接導(dǎo)致了可編程邏輯SoC解決方案的產(chǎn)生，隨著這一變化，關(guān)于選擇標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)方案以及折中考慮等傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)也需要與時(shí)俱進(jìn)以適應(yīng)這些新的開發(fā)方式。

　　在本文中，我們研究了選擇嵌入式操作系統(tǒng)的各種方案，并且針對(duì)嵌入式和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，討論一些選擇標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)調(diào)由可編程邏輯解決方案引入的設(shè)計(jì)折衷。闡述了一個(gè)典型實(shí)例，這里我們以在萊迪思半導(dǎo)體公司的FPGA 上運(yùn)行的LatticeMico32軟處理器設(shè)計(jì)為例提供一個(gè)典型方案的討論。

　　傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)

　　根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)操作系統(tǒng)的選擇有四個(gè)主要方式。

　　無操作系統(tǒng)

　　許多簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)不需要操作系統(tǒng)。該代碼通常始于設(shè)立堆棧指針和初始化幾個(gè)時(shí)鐘和外設(shè)寄存器。然后，該代碼進(jìn)入主循環(huán)(也稱為超級(jí)循環(huán)) ，以執(zhí)行產(chǎn)品的功能。編寫中斷服務(wù)程序( ISR)用以處理異步事件，以提供一些響應(yīng)而不是輪詢?cè)O(shè)備方式來進(jìn)行服務(wù)。 ISR的響應(yīng)通常是在0到10微秒的范圍。如果 處理器速度 足夠 快，以及超級(jí)循環(huán)是小而緊湊的，這是一個(gè)完全可行的選擇。然而，如果進(jìn)行更復(fù)雜的操作，如執(zhí)行控制循環(huán)，提供圖形顯示服務(wù)，使用文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)堆棧( TCP / IP協(xié)議或其他)，超級(jí)循環(huán)將無法正常工作。如果考慮一個(gè) 快速和 功能強(qiáng)大的 處理器， 如開放源 代碼LatticeMico32軟處理器， 應(yīng)該選擇一個(gè)操作系統(tǒng)。

　　自己編寫操作系統(tǒng)

　　對(duì)于一些特定需求，現(xiàn)有的解決方案無法滿足需要，或者現(xiàn)有的解決方案成本太高，通常就需要考慮自己編寫操作系統(tǒng)。自己編寫RTOS (實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))通常不是一個(gè)好的選擇，因?yàn)榭偸菄?yán)重低估所需付出的努力。一個(gè)簡(jiǎn)單的“tasker”要寫幾天或幾周，但更艱巨的挑戰(zhàn)是需要對(duì)實(shí)現(xiàn)魯棒性商業(yè)產(chǎn)品的努力。例如，一個(gè)商業(yè)的RTOS ，如μC/OS-II可能包含超過10000行的代碼，已經(jīng)在各種各樣的產(chǎn)品中得到了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，并可能已被認(rèn)證應(yīng)用于，如電子和醫(yī)療產(chǎn)品等。如果選擇你自己編寫，誰將確保長(zhǎng)期維護(hù)，并且完成詳細(xì)的文檔?

　　從商業(yè)的觀點(diǎn)來看，自己編寫的RTOS不是一個(gè)好的選擇。

　　商業(yè)RTOS

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)管理微控制器，微處理器或DSP時(shí)間的軟件。最重要的一個(gè)特點(diǎn)是它對(duì)實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)，通常不到25微秒。這種響應(yīng)通常是確定性，在某些情況下，甚至相當(dāng)穩(wěn)定。一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以應(yīng)用編程接口( API )的形式為應(yīng)用程序員提供了許多“服務(wù)”。當(dāng)選擇一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)，從技術(shù)和業(yè)務(wù)問題方面考慮會(huì)有數(shù)十種選擇。

　　技術(shù)問題可以大致分類為：

　　* RTOS對(duì)應(yīng)用作出的響應(yīng)夠嗎?

　　* 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了所需的功能嗎?大多數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供相同的基本功能：任務(wù)管理，時(shí)間管理，信號(hào)量，消息隊(duì)列，事件標(biāo)志等。

　　* RTOS可以實(shí)時(shí)用于不同的CPU (即代碼可以移植嗎)嗎 ?一個(gè) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如μC/OS-II已移植到超過45種不同CPU 架構(gòu)， 所以在這種 情況下，可移植性不會(huì)成為問題，產(chǎn)品和其一部分的長(zhǎng)壽性是得到保證的。如果使用一個(gè)新的架構(gòu)，移植 到一個(gè) CPU通常需要一兩個(gè)星期。

　　* 使用RTOS是否有足夠的ROM和RAM?根據(jù)所需的特性RTOS的空間可以減少嗎?例如，μC/OS-II是可以升級(jí)的，代碼 空間的要求在6千字節(jié)到24 千字節(jié)的之間，最低只需要500字節(jié)的RAM 。

　　從商業(yè)角度，事情并非那么容易解決。具體來說，嵌入式開發(fā)者需要從操作系統(tǒng)供應(yīng)商那里得到滿意答復(fù)，了解價(jià)格結(jié)構(gòu)，支持結(jié)構(gòu)和供應(yīng)商的聲譽(yù)和穩(wěn)定性。尋找一個(gè)ROTS操作系統(tǒng)或RTOS的供應(yīng)商時(shí)，調(diào)查通常是一個(gè)好的開端。

　　當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)速度是最重要時(shí)，如控制和監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序，就會(huì)選擇商業(yè)的RTOS，因?yàn)樗鼈兒芤蕾囉谲浖膱?zhí)行功能。如果你可以選擇用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)間至關(guān)重要的功能，通常就不需要由RTOS提供嚴(yán)格的時(shí)間保證。