采用 Linux 與 DSP/BIOS RTOS 實(shí)施雙 OS 信號處理技術(shù)

　　GPOS 傾向于提供較高程度的資源抽象，這不僅可通過支持軟件模塊性與資源隔離來提高應(yīng)用的便攜性、簡化開發(fā)流程，同時(shí)還能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)健性。這使 GPOS 成為諸如網(wǎng)絡(luò)、用戶界面以及顯示管理等通用系統(tǒng)組件的理想選擇。

　　然而，該抽象需要以系統(tǒng)資源的精細(xì)粒度控制作為代價(jià)，以滿足信號處理代碼等高強(qiáng)度算法的計(jì)算性能要求。對于實(shí)現(xiàn)這種高級別的控制，開發(fā)人員通常需要采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS）。

　　從嵌入式信號處理角度上講，我們通常要考慮兩種類型的操作系統(tǒng)，即通用操作系統(tǒng) Linux 與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) DSP/BIOS。Linux 可支持更高水平的抽象技術(shù)，而 DSP/BIOS 則可提供更精細(xì)的控制。

　　為了充分發(fā)揮這兩種操作系統(tǒng)的優(yōu)勢，開發(fā)人員可采用系統(tǒng)虛擬機(jī)，這就使編程人員可在同一 DSP 處理器上同時(shí)運(yùn)行 Linux 與 DSP/BIOS 系統(tǒng)。

　?。ň幷咦ⅲ号c Java 虛擬機(jī)等特定編程語言使用的進(jìn)程虛擬機(jī)環(huán)境不同，系統(tǒng)虛擬機(jī)對應(yīng)于實(shí)際硬件，可在相同計(jì)算環(huán)境中與其它類似實(shí)例相隔離的情況下執(zhí)行完整的操作系統(tǒng)。）

　　然而，我們要提出一個(gè)重要的問題：為什么不使用分別運(yùn)行 Linux 與 DSP/BIOS 系統(tǒng)的 CPU+DSP 組合器件呢？畢竟，CPU 在運(yùn)行用戶接口控制代碼等方面具有更高的效率。此外，不同的內(nèi)核可避免虛擬化帶來的開銷。不過，在同一顆芯片上集成所有功能還是很有吸引力的，原因如下：

　　其一，當(dāng)今高性能 DSP 比前代 DSP 要強(qiáng)大得多，這樣可減少控制處理周期數(shù)。其二，大多數(shù)高性能 DSP 的通用性能均比前代產(chǎn)品更強(qiáng)，從而可實(shí)現(xiàn)更高效的控制代碼處理工作。

　　如果所有功能都可集成在 DSP 上，那么其優(yōu)勢將更加出眾。更少的芯片數(shù)量可實(shí)現(xiàn)更低的成本與更小的占用空間。此外，由于不再需要在耗費(fèi)大量電力的處理器間數(shù)據(jù)傳輸，因此還可降低能耗。

　　進(jìn)度安排

　　操作系統(tǒng)最常見也是最有利的一個(gè)特性就是能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)或多個(gè)線程。操作系統(tǒng)通過時(shí)間表來管理內(nèi)核處理，以連續(xù)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。

　　以往，嵌入式編程人員在使用 Linux 時(shí)會(huì)擔(dān)心實(shí)時(shí)性能較低的問題。不過，對 Linux 內(nèi)核的最新增強(qiáng)顯著提高了其對系統(tǒng)事件的響應(yīng)能力，從而使其可滿足各種企業(yè)與個(gè)人以及嵌入式產(chǎn)品的需求。

　　Linux 可實(shí)現(xiàn)線程的時(shí)間切片以及優(yōu)先次序時(shí)間安排。時(shí)間切片技術(shù)是指在所有線程之間共享處理工作周期，以確保無封鎖線程。這種方法通常適用于用戶接口功能，以確保在系統(tǒng)超載、響應(yīng)較慢的情況下也不至于完全丟失用戶功能。

　　與此形成對比的是，優(yōu)先次序線程時(shí)間安排技術(shù)則可確保系統(tǒng)中最高優(yōu)先級線程的執(zhí)行，直至該線程放棄控制為止，這時(shí)下一個(gè)最高優(yōu)先級的線程即開始執(zhí)行。

　　Linux 內(nèi)核在每次從內(nèi)核到用戶模式的轉(zhuǎn)換時(shí)都會(huì)對可用線程的優(yōu)先級進(jìn)行重新評估，這就意味著內(nèi)核最新評估的任何事件（如驅(qū)動(dòng)程序上數(shù)據(jù)的可用性）都能立即觸發(fā)新線程（調(diào)度器的時(shí)延響應(yīng)時(shí)間內(nèi)）的轉(zhuǎn)換。由于確定了基于優(yōu)先級的線程，其通常用于必須滿足實(shí)時(shí)要求的信號處理應(yīng)用。

　　在推出 Linux 內(nèi)核 2.6 版本之前，制約實(shí)時(shí)性能的主要因素是 Linux 內(nèi)核會(huì)禁用中斷，且禁用時(shí)間有時(shí)會(huì)長達(dá)數(shù)百毫秒。

　　就此而言，我們可以提高內(nèi)核實(shí)施的效率。因?yàn)樵诮弥袛鄷r(shí)，代碼的某些部分無需重新進(jìn)入，而這會(huì)增加中斷響應(yīng)的時(shí)延。

　　目前的 2.6 版本提供了構(gòu)建選項(xiàng)，可在整個(gè)內(nèi)核代碼中以更高的頻率插入中斷再啟用指令。Linux 社區(qū)通常將該特性稱作先占內(nèi)核 （preempt kernel），盡管這會(huì)讓內(nèi)核性能略有下降，但卻能夠顯著提高實(shí)時(shí)性能。對于眾多系統(tǒng)任務(wù)而言，在先占性 Linux 2.6 內(nèi)核與實(shí)時(shí)線程結(jié)合使用時(shí)，將能提供足夠的性能來滿足實(shí)時(shí)需求。