基于uC/OS-II的低速率語音編碼器系統(tǒng)設計

關鍵字: uC/OS-II； TMS320C54X；低速率語音編碼器

引言
隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，越來越多的數(shù)字信號處理芯片應用于各行各業(yè)。但是，以往多數(shù)的DSP系統(tǒng)是基于流程圖的設計方法，該方法設計的程序穩(wěn)定性不高，流程中任意一個環(huán)節(jié)出錯都將導致系統(tǒng)崩潰甚至死機。使用RTOS將對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的改善。使應用模塊化，可極大提高程序的可讀性、可擴展性和可移植性。
TI公司的定點DSP處理芯片TMS320C54X是目前應用比較廣泛的一種DSP芯片，具有功耗低、運行速度快等優(yōu)點，適合低速率語音編碼的應用。
uC/OS-II是一種免費應且源代碼公開的實時內核，經(jīng)過多年的實際應用，顯示出強大的功能和巨大的商業(yè)價值。本文實現(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)設計方案。

圖1 系統(tǒng)結構圖

圖2 任務狀態(tài)轉移圖

uC/OS-II在TMS320C54X上的移植
要實現(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在進入系統(tǒng)臨界區(qū)之前必須關閉中斷，退出臨界區(qū)后再打開中斷。uC/OS-II定義了兩個宏來關閉/打開中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。
用OS_STK_GROWTH來設置，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()用來實現(xiàn)任務切換。OS_TASK_SW()函數(shù)模擬一次中斷過程，在中斷返回時進行任務切換。
另外，還聲明了一個8位變量，用來調用DOS的時鐘節(jié)拍函數(shù)，在TMS320C54X中應該屏蔽掉。
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)調用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務。其過程為：獲得優(yōu)先級最高任務的TCB地址→設置堆棧指針→恢復任務環(huán)境→中斷返回→運行新任務。在TMS320C54X中實現(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)是一個任務級的任務切換函數(shù)。軟中斷向量指向此函數(shù)。在uC/OS-II中，如果任務調用了某個函數(shù)，而該函數(shù)的執(zhí)行結果可能造成系統(tǒng)任務的重新調度，則在函數(shù)的末尾會調用OSSched()。OSSched()查找當前就緒最高優(yōu)先級任務，如果不是當前任務，則找到該任務TCB的地址，并拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過宏OS_TASK_SW()執(zhí)行軟中斷調用OSCtxSw()進行任務切換。變量OSTCBCur始終包含指向當前運行任務TCB的指針。在TMS320C54X中實現(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)進行中斷級任務切換。中斷可能引起任務切換，在中斷服務程序的最后會調用OSIntExit()函數(shù)檢查任務就緒狀態(tài)，如果需要進行任務切換，則調用OSIntCtxSw()。值得注意的是，產生中斷后，CPU寄存器會自動被保存，所以，在此函數(shù)中不再進行環(huán)境保存。在TMS320C54X中實現(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()由任務創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調用，用來初始化任務的堆棧。OSTaskStkInit()與調用它的函數(shù)有三個參數(shù)進行傳遞：任務代碼起始地址(task)，參數(shù)指針(pdata)，任務堆棧頂?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，增加了空閑任務和監(jiān)視任務。系統(tǒng)結構如圖1所示。
系統(tǒng)由里向外分為三層：操作系統(tǒng)層、任務層、硬件層。
硬件層設計
硬件層設計主要包括串口和HPI口，用于接收(發(fā)送)語音信號和信道上的數(shù)據(jù)。
任務層設計
本系統(tǒng)中共有七個任務，其優(yōu)先級從高到低依次為：監(jiān)控任務、模擬接口任務、數(shù)字接口任務、回波抵消任務、編碼任務、解碼任務、Idle任務。各任務的狀態(tài)有4種，即等待態(tài)和掛起態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)以及中斷態(tài)，狀態(tài)的轉換關系如圖2所示。
監(jiān)視任務設計思路為：被監(jiān)視任務正常運行時其執(zhí)行時間是可預估的，被監(jiān)視任務在其即將運行完畢時向監(jiān)視任務發(fā)送消息說明自身運行正常。被監(jiān)視任務運行時，監(jiān)視任務處于等待態(tài)，等待被監(jiān)視任務給它發(fā)送消息，等待時間被設定為預計的任務正常運行所需的最大時間。若等待時間內監(jiān)視任務收到消息，則認為發(fā)送消息的任務運行正常，依照各任務執(zhí)行順序的先后下一任務開始運行，監(jiān)視任務等待下一任務發(fā)送的消息。若等待時間已過，監(jiān)視任務仍未收到消息，則系統(tǒng)的時間管理函數(shù)將強行把監(jiān)視任務視為就緒態(tài)。因監(jiān)視任務的優(yōu)先權是最高的，它將搶占對CPU的控制權并采取相應的糾錯方案。
操作系統(tǒng)層設計
在應用中，各個任務之間都有數(shù)據(jù)要交換，本設計中采用消息機制實現(xiàn)任務間通信。編碼任務需要模擬接口任務發(fā)送的消息，以接收用于編碼的語音數(shù)據(jù)；數(shù)字接口任務需要編碼任務發(fā)送的消息，以接收用于發(fā)往信道的編碼數(shù)據(jù)；解碼任務需要數(shù)字接口任務發(fā)來的消息，以接收來自信道的用于解碼的解碼字；模擬接口任務需要解碼任務發(fā)來的消息，以接收用于D/A轉換的數(shù)字語音信號?；夭ǖ窒蝿招枰却南碜阅M接口任務和解碼任務。監(jiān)控任務接收所有其任務發(fā)來的消息，確認系統(tǒng)是否正常運行。
在運行過程中，操作系統(tǒng)對各任務進行調度。其動作為：
系統(tǒng)啟動時，建立所有的任務，除回波抵消任務外，都處于就緒態(tài)；
此時，監(jiān)控任務優(yōu)先級最高，查詢消息隊列，沒有消息的到來，轉為等待態(tài)；
模擬接口任務運行，接收/發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)數(shù)據(jù)給回波抵消任務，并使回波抵消任務處于就緒態(tài)；如條件達到(如幀數(shù)已夠)，向編碼任務發(fā)消息，傳送數(shù)據(jù)，運行完畢，自行進入掛起態(tài)，等待下一次串口中斷將其轉為就緒態(tài)；
數(shù)字接口任務運行，接收/發(fā)送數(shù)據(jù)，如條件達到(如編碼字數(shù)夠)，向解碼任務發(fā)消息，傳送數(shù)據(jù)，運行完畢，自行進入掛起態(tài)，等待下一次串口中斷(或HPI中斷)將其轉為就緒態(tài)；
如消息足夠，回波抵消任務運行，運行完畢，自行處于掛起態(tài)；
編碼任務運行，如有模擬接口任務發(fā)來的消息，則運行，編碼完畢，向數(shù)字接口發(fā)消息；否則，處于等待態(tài)；
解碼任務運行，如有數(shù)字接口任務發(fā)來的消息，則運行，解碼完畢，向模擬接口任務和回波抵消任務發(fā)消息；否則，處于等待態(tài)；
在所有任務都執(zhí)行完畢后，Idle任務運行。
由于所有的任務都有嚴格的執(zhí)行時間限制，因此，上述的任務流程在正常情況下可以順利進行。否則，監(jiān)控任務會重啟系統(tǒng)。

結語
本文在TMS320C54X的硬件平臺上實現(xiàn)uC/OS-II，并針對傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計方法設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)設計的方案。由于低速率語音編碼器通常是單片的，內部任務相對較少。使用實時內核來管理這些任務，會增加系統(tǒng)的內存和CPU時間的消耗，而任務調度的優(yōu)勢不能很好地顯示出來，該設計有一定局限性。但是，在系統(tǒng)的內存足夠大、CPU運行速度足夠快的情況下，使用實時內核設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
1 Jean J.Labrosse. uC/OS-II-源碼公開的實時嵌入式操作系統(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)應用[M]. 電子工業(yè)出版社，2000