TMS320F28x上RTOS移植關(guān)鍵技術(shù)分析

　　TMS320F28x（簡(jiǎn)稱“F28x”）數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP控制器，其頻率高達(dá)150 MHz，大大提高了控制系統(tǒng)的精度和芯片的處理能力。在F28x系列DSP上移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，需要對(duì)編譯器、系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程、中斷處理過(guò)程以及整體代碼執(zhí)行流程有一個(gè)全面的深入理解。對(duì)系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程有清晰的概念是移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的前提條件。本文將對(duì)從DSP上電復(fù)位到其系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行深入介紹，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析在F28x系列DSP上移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般原理，詳細(xì)說(shuō)明μC/OSⅡ的移植。

1 BootROM及其運(yùn)行

　　在F281x、C281x、R281x器件中都有一塊4K×16位的BootROM。當(dāng)引腳MP/nMC的狀態(tài)反映到XINTCNF2中為0時(shí)，BootROM被映射到地址空間0x3FF000～0x3FFFC0上。片上ROM在出廠前就已經(jīng)燒寫好了一個(gè)啟動(dòng)程序以及一些其他數(shù)據(jù)和表格(版本信息、復(fù)位向量、中斷向量表、IQmath表等)。其空間分配如圖1所示。

圖1 片上BootROM分配

　　其中，中斷向量表在VMAP=1、ENPIE=0（PIE未使能向量表）、MPNMC=0時(shí)有效。另外，當(dāng)VMAP=1、ENPIE=0時(shí)，系統(tǒng)將從BootROM的0x3FFFC0復(fù)位。雖然復(fù)位后ENPIE為零，但大部分系統(tǒng)都是需要使能外部中斷擴(kuò)展模塊的，即用戶程序中需要將ENPIE置1。由此可見(jiàn)，BootROM唯一常用的向量只有復(fù)位向量；而其他的中斷向量是指向M0SRAM用于芯片測(cè)試的，通常用不到。狀態(tài)位和向量表映射關(guān)系如表1所列。

2 從上電復(fù)位到用戶代碼

　　當(dāng)系統(tǒng)重啟（上電或熱啟動(dòng)）時(shí)，引腳XMPNMC的信號(hào)將被鎖存到XINTF的配置寄存器XINTCNF2中。重啟之后，XMPNMC的狀態(tài)不再反映到XINTCNF2，這時(shí)，可以用軟件來(lái)修改它的狀態(tài)，從而確定程序要訪問(wèn)的是內(nèi)部地址還是外部地址。但是，像F2810這樣的器件，沒(méi)有XINTF。它的XMPNMC在芯片內(nèi)部被拉低，也就是說(shuō)，當(dāng)器件重啟后，它總是自動(dòng)從內(nèi)部的BootROM啟動(dòng)。如果XMPNMC為高電平，則表示系統(tǒng)將從XINTF zone7中獲取復(fù)位向量。即從外部獲取中斷向量（地址見(jiàn)表1）時(shí)，必須確保復(fù)位向量所指向正確的地址。這一般在希望自己編寫啟動(dòng)程序時(shí)使用。本文對(duì)此不作具體討論。

　　當(dāng)XMPNMC為低電平時(shí)，系統(tǒng)從內(nèi)部獲取復(fù)位向量。這個(gè)復(fù)位向量指的就是上文中提到的BootROM中位于0x3FFFC0的向量。此向量指向固化在BootROM中的InitBoot函數(shù)。所以上電復(fù)位后，程序?qū)⑻D(zhuǎn)到InitBoot函數(shù)。

　　InitBoot函數(shù)首先對(duì)器件初始化，F(xiàn)281x器件將被配置為F28x工作模式。如果希望執(zhí)行C2xLP兼容程序，則需要用戶自己寫程序配置。PLL配置將保持不變。PIE使用缺省狀態(tài)，即不使能。另外要注意，M1的前80個(gè)字將用做BootROM的堆棧， 用戶應(yīng)避免使用。初始化完成后，程序轉(zhuǎn)向執(zhí)行SelectBootMode函數(shù)。此函數(shù)將掃描通用I/O口（GPIO），以確定啟動(dòng)模式，如表2所列，包括跳轉(zhuǎn)到Flash、跳轉(zhuǎn)到H0 SARAM、跳轉(zhuǎn)到OTP等模式。

表1 狀態(tài)位和向量表映射關(guān)系向量

表2 啟動(dòng)模式

　　不同的模式有不同的程序起點(diǎn)（entrypoint）。對(duì)于Flash、H0 SARAM、OTP模式，有一個(gè)固定的跳轉(zhuǎn)地址（見(jiàn)表2）；而對(duì)于從SCI、SPI啟動(dòng)時(shí)，程序起點(diǎn)將調(diào)用bootloader按一定的格式（具體格式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]）從外部獲取。

　　最后，BootROM執(zhí)行exitboot函數(shù)。執(zhí)行這個(gè)函數(shù)包括： 置CPU狀態(tài)為缺省，將SP指向0x400，跳轉(zhuǎn)到程序起點(diǎn)等工作。exitboot執(zhí)行后CPU狀態(tài)為：ACC=0, RPC=0, P=0, XT=0, ST=0, XAR0=XAR7=0, SP=0x400, ST1=0x0A0B。

　　以上是BootROM完成的工作。從entrypoint開始，就進(jìn)入用戶程序區(qū)了。對(duì)于匯編程序，可以在程序起點(diǎn)處寫一條跳轉(zhuǎn)到Start（如果程序起點(diǎn)是Start）的指令。匯編情況比較簡(jiǎn)單，跳轉(zhuǎn)到Start后，各項(xiàng)初始化代碼工作都由自己完成。對(duì)于C語(yǔ)言程序，通常的做法是在程序起點(diǎn)處放置一條跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)到_c_init0。然后程序的執(zhí)行分為使用或不使用BIOS兩種情況。

　　從rts.src中提取boot28.inc文件，其中包括對(duì)于不使用BIOS的情況下，啟動(dòng)后從_c_init0到main函數(shù)中間所做的工作。因?yàn)檫@段代碼是由C編譯器自動(dòng)運(yùn)行的，因而常被初學(xué)者忽視，以致對(duì)其后自己編寫的C代碼的運(yùn)行環(huán)境不清楚。這一段程序主要完成以下工作：

　　◇ 分配C堆棧；
　　◇ 建立C運(yùn)行環(huán)境（CPU寄存器和模式寄存器的配置）；
　　◇ 復(fù)制cinit、pinit表、.const、.econst常量到工作區(qū)；
　　◇ 跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)。

　　這段代碼聲明了2個(gè)全局變量：__stack，系統(tǒng)堆棧棧底；_c_int00，啟動(dòng)函數(shù)。下面列出了C運(yùn)行環(huán)境的初始化程序部分代碼：

　　C28OBJ；選擇C28x對(duì)象模式
　　C28ADDR；清除地址模式位
　　C28MAP；設(shè)置M0M1模式
　　CLRCPAGE0；使用堆棧尋址模式
　　MOVWDP,#0；初始化DP指向低64K地址
　　CLRCOVM；關(guān)閉溢出模式
　　ASP；確保SP對(duì)齊

　　這些代碼設(shè)置了C語(yǔ)言的運(yùn)行環(huán)境。在用戶程序中編寫的匯編代碼不應(yīng)該破壞這個(gè)環(huán)境，否則C語(yǔ)言將無(wú)法正常運(yùn)行。

3 中斷代碼的執(zhí)行

　　F28x系列的DSP支持1個(gè)不可屏蔽中斷(NMI)和16個(gè)可屏蔽中斷（INT1～I(xiàn)NT14、RTOSINT、DLOGINT）。其中,INT1~INT12由PIE控制單元管理。每個(gè)INT可以對(duì)應(yīng)8個(gè)外設(shè)中斷，即PIE可以控制96個(gè)中斷源。

　　下面對(duì)可屏蔽中斷響應(yīng)過(guò)程作一介紹：

　?、?外設(shè)發(fā)出中斷請(qǐng)求。
　　② DSP看中斷請(qǐng)求是否被允許。設(shè)計(jì)PIEIER、PIEACK、IER、INTM等寄存器和標(biāo)志位的設(shè)置，具體參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。
　?、?如果中斷允許，則先執(zhí)行完進(jìn)入解碼的二階段之后的指令，將其他指令沖出流水線。系統(tǒng)將自動(dòng)保存ST0、T、AL、AH、PL、PH、AR0、AR1、DP、ST1、DBGSTAT、PC、IER，然后獲取中斷向量，加載到PC。

　　注意: 當(dāng)中斷被允許后會(huì)立即清除IFR中相應(yīng)標(biāo)志位；但是，如果此時(shí)中斷信號(hào)仍有效（保持低電平），那么，相應(yīng)IFR標(biāo)志位又會(huì)被置位（不過(guò)這時(shí)此中斷不會(huì)被立即響應(yīng)）。這是因?yàn)镃PU禁止了所有的硬件中斷響應(yīng)，當(dāng)ISR開始執(zhí)行時(shí)，它才解除禁止；并且，在執(zhí)行ISR之前（此時(shí)原來(lái)的IER已保存），當(dāng)前中斷的IER中相應(yīng)位被清零。也就是說(shuō)，同一中斷源的中斷不會(huì)再被響應(yīng)，要等到中斷服務(wù)子程序中用戶來(lái)使能中斷（如果需要嵌套），或者等到中斷返回自動(dòng)恢復(fù)IER。

　?、?執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。

　　由于置位了INTM、DBGM，所以可屏蔽中斷默認(rèn)是不被允許的。如果要嵌套，則需程序員自己動(dòng)手清除禁止中斷標(biāo)志。另外，中斷里面LOOP、EALLOW、IDLESTAT都被清零了，這樣中斷服務(wù)子程序有了一個(gè)全新的上下文。

4 從RAM中執(zhí)行代碼

　　通常情況下，程序是保存在Flash里面的，CPU從Flash中取指運(yùn)行；但是，有時(shí)會(huì)要求將程序調(diào)到RAM中來(lái)執(zhí)行。一方面是為追求更高的速度；另一方面是為了讓Flash有最好的運(yùn)行性能，需要修改Flash的等待狀態(tài)周期，使能Flash Pipeline，而對(duì)Flash的操作必須在RAM里面執(zhí)行，這些操作函數(shù)就必然要從Flash中調(diào)到RAM中執(zhí)行。對(duì)于這些程序，在啟動(dòng)后用戶程序中需要先完成存儲(chǔ)器拷貝工作。拷貝到RAM中之后，才能調(diào)用這些函數(shù)，順序不能亂。

5 在DSP上移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。在移植軟件之前，先要正確配置處理器的運(yùn)行模式，了解處理器的中斷方式、中斷向量地址等。這些工作在F28x系列DSP中由BootROM中固化的程序完成。另外，為了方便移植，大部分的RTOS代碼都是用C語(yǔ)言寫的；但仍需要用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫一些與處理器相關(guān)的代碼。這是因?yàn)樵谧x寫處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　對(duì)于同時(shí)使用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植，必須小心使用匯編語(yǔ)言，防止破壞C語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境。一方面不可以改變相關(guān)狀態(tài)位；另一方面匯編函數(shù)的編寫需要遵循C編譯器的調(diào)用規(guī)則。從復(fù)位到用戶程序編譯器做的設(shè)置工作見(jiàn)前文。

　　中斷發(fā)生時(shí)，TMS320LF28x處理器自動(dòng)保存了不少寄存器，但是如果中斷服務(wù)子程序中要用其他寄存器，那么開始時(shí)要自己寫現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)程序。就實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)而言，進(jìn)入中斷和退出中斷須對(duì)系統(tǒng)堆棧進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。維護(hù)堆棧結(jié)構(gòu)時(shí)，需要注意處理器堆棧的生長(zhǎng)方向。雖然絕大多數(shù)微處理器和微控制器的堆棧是從上往下長(zhǎng)的，但TI公司的DSP一般為從下往上長(zhǎng)。

　　一般實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要先禁止中斷再訪問(wèn)代碼的臨界段，并且在訪問(wèn)完畢后重新允許中斷。這就使得系統(tǒng)能夠保護(hù)臨界段代碼免受多任務(wù)或中斷服務(wù)例程(ISRs)的破壞。最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是直接調(diào)用處理器指令來(lái)禁止中斷和允許中斷。

　　筆者選擇了目前應(yīng)用比較廣泛的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ。要移植μC/OS-Ⅱ需要滿足以下要求：

　　◇ 處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼；
　　◇ 用C語(yǔ)言就可以打開和關(guān)閉中斷；
　　◇ 處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常在10～100 Hz之間)；
　　◇ 處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)(可能是幾千字節(jié))的硬件堆棧；
　　◇ 處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆?；騼?nèi)存中的指令。移植工作包括以下幾個(gè)內(nèi)容：
　　◇ 用#define設(shè)置一個(gè)常量的值(OS_CPU.H)；
　　◇ 聲明10個(gè)數(shù)據(jù)類型(OS_CPU.H)；
　　◇ 用#define聲明3個(gè)宏(OS_CPU.H)；
　　◇ 用C語(yǔ)言編寫6個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)(OS_CPU_C.C)；
　　◇ 編寫4個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)(OS_CPU_A.ASM)。

　　移植的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)OS_CPU_A.ASM。這個(gè)文件的實(shí)現(xiàn)需要十分清楚處理器啟動(dòng)過(guò)程和中斷處理，以及代碼的運(yùn)行過(guò)程。由于TI公司的DSP堆棧從下往上長(zhǎng)，所以移植時(shí)需要置OS_STK_GROWTH為0?？梢院?jiǎn)單地使用TIMS320LF28x的中斷使能和禁止命令來(lái)實(shí)現(xiàn)OS_ENTER_CRITICAL()、OS_EXIT_CRITICAL()兩個(gè)宏。

　　以下是移植時(shí)OS_CPU_A.ASM文件里任務(wù)切換的代碼。任務(wù)切換時(shí)，須時(shí)刻注意自己設(shè)計(jì)的堆棧結(jié)構(gòu)。

_OSCtxSw:
　　CALL_CTX_SAVE
　　LDPK_OSTCBCur; OSTCBCur>OSTCBStkPtr = SP
　　LARAR3, _OSTCBCur
　　MAR*, AR3
　　SARAR1, * , AR1

_OSIntCtxSw:
　　CALL_OSTaskSwHook; OSTaskSwHook()
　　LDPK_OSTCBHighRdy; OSTCBCur = OSTCBHighRdy
　　BLDD_OSTCBHighRdy,#_OSTCBCur
　　LDPK_OSPrioHighRdy; OSPrioCur = OSPrioHighRdy
　　BLDD_OSPrioHighRdy,#_OSPrioCur
　　LDPK_OSTCBHighRdy; SP=OSTCBHighRdy>OSTCBStkPtr
　　LARAR3, _OSTCBHighRdy
　　MAR*, AR3
　　LARAR1, *
　　B_CTX_REST, AR1

結(jié)語(yǔ)

　　本文詳細(xì)說(shuō)明了從上電復(fù)位開始，DSP中程序運(yùn)行的過(guò)程；分析了固化在片上ROM的程序以及由編譯器自動(dòng)生成的程序。另外，通過(guò)對(duì)DSP/BIOS啟動(dòng)、中斷執(zhí)行、從RAM中執(zhí)行代碼等問(wèn)題的探討，了解DSP的運(yùn)行機(jī)制，掌握移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)知識(shí)。筆者成功地將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ移植到了TMS320LF2812數(shù)字信號(hào)處理器上。