為FPGA軟處理器選擇操作系統

在本文中，我們研究了選擇嵌入式操作系統的各種方案，并且針對嵌入式和實(shí)時(shí)操作系統，討論一些選擇標準，并強調由可編程邏輯解決方案引入的設計折衷。闡述了一個(gè)典型實(shí)例，這里我們以在萊迪思半導體公司的FPGA 上運行的LatticeMico32軟處理器設計為例提供一個(gè)典型方案的討論。
　
　　引言

　　操作系統能夠提高可移植性，并提供多種經(jīng)過(guò)測試的抽象層，服務(wù)層和應用模塊層以供選擇，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間并減少應用程序出錯的可能性。然而，選擇一個(gè)嵌入式操作系統( OS )從來(lái)就不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，因為集成嵌入式軟件的方式選擇余地很大，你可以完全都由自己來(lái)編寫(xiě)，或通過(guò)商業(yè)定制專(zhuān)門(mén)實(shí)時(shí)操作系統，也可以直接購買(mǎi)通用操作系統不作任何修改，現成的通用操作系統。FPGA性能的提高和軟處理器核的出現，直接導致了可編程邏輯SoC解決方案的產(chǎn)生，隨著(zhù)這一變化，關(guān)于選擇標準，設計方案以及折中考慮等傳統經(jīng)驗也需要與時(shí)俱進(jìn)以適應這些新的開(kāi)發(fā)方式。

　　在本文中，我們研究了選擇嵌入式操作系統的各種方案，并且針對嵌入式和實(shí)時(shí)操作系統，討論一些選擇標準，并強調由可編程邏輯解決方案引入的設計折衷。闡述了一個(gè)典型實(shí)例，這里我們以在萊迪思半導體公司的FPGA 上運行的LatticeMico32軟處理器設計為例提供一個(gè)典型方案的討論。

　　傳統經(jīng)驗

　　根據傳統經(jīng)驗，一個(gè)操作系統的選擇有四個(gè)主要方式。

　　無(wú)操作系統

　　許多簡(jiǎn)單的嵌入式系統不需要操作系統。該代碼通常始于設立堆棧指針和初始化幾個(gè)時(shí)鐘和外設寄存器。然后，該代碼進(jìn)入主循環(huán)(也稱(chēng)為超級循環(huán)) ，以執行產(chǎn)品的功能。編寫(xiě)中斷服務(wù)程序( ISR)用以處理異步事件，以提供一些響應而不是輪詢(xún)設備方式來(lái)進(jìn)行服務(wù)。 ISR的響應通常是在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)行更復雜的操作，如執行控制循環(huán)，提供圖形顯示服務(wù)，使用文件系統或網(wǎng)絡(luò )堆棧( TCP / IP協(xié)議或其他)，超級循環(huán)將無(wú)法正常工作。如果考慮一個(gè) 快速和 功能強大的 處理器， 如開(kāi)放源 代碼LatticeMico32軟處理器， 應該選擇一個(gè)操作系統。

　　自己編寫(xiě)操作系統

　　對于一些特定需求，現有的解決方案無(wú)法滿(mǎn)足需要，或者現有的解決方案成本太高，通常就需要考慮自己編寫(xiě)操作系統。自己編寫(xiě)RTOS (實(shí)時(shí)操作系統)通常不是一個(gè)好的選擇，因為總是嚴重低估所需付出的努力。一個(gè)簡(jiǎn)單的“tasker”要寫(xiě)幾天或幾周，但更艱巨的挑戰是需要對實(shí)現魯棒性商業(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(guò)10000行的代碼，已經(jīng)在各種各樣的產(chǎn)品中得到了現場(chǎng)驗證，并可能已被認證應用于，如電子和醫療產(chǎn)品等。如果選擇你自己編寫(xiě)，誰(shuí)將確保長(cháng)期維護，并且完成詳細的文檔?

　　從商業(yè)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，自己編寫(xiě)的RTOS不是一個(gè)好的選擇。

　　商業(yè)RTOS

　　實(shí)時(shí)操作系統是一個(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)是它對實(shí)時(shí)事件的響應，通常不到25微秒。這種響應通常是確定性，在某些情況下，甚至相當穩定。一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統以應用編程接口( API )的形式為應用程序員提供了許多“服務(wù)”。當選擇一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統時(shí)，從技術(shù)和業(yè)務(wù)問(wèn)題方面考慮會(huì )有數十種選擇。

　　技術(shù)問(wèn)題可以大致分類(lèi)為：

　　* RTOS對應用作出的響應夠嗎?

　　* 實(shí)時(shí)操作系統提供了所需的功能嗎?大多數實(shí)時(shí)操作系統提供相同的基本功能：任務(wù)管理，時(shí)間管理，信號量，消息隊列，事件標志等。

　　* 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，如μC/OS-II已移植到超過(guò)45種不同CPU 架構， 所以在這種 情況下，可移植性不會(huì )成為問(wèn)題，產(chǎn)品和其一部分的長(cháng)壽性是得到保證的。如果使用一個(gè)新的架構，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?根據所需的特性RTOS的空間可以減少嗎?例如，μC/OS-II是可以升級的，代碼 空間的要求在6千字節到24 千字節的之間，最低只需要500字節的RAM 。

　　從商業(yè)角度，事情并非那么容易解決。具體來(lái)說(shuō)，嵌入式開(kāi)發(fā)者需要從操作系統供應商那里得到滿(mǎn)意答復，了解價(jià)格結構，支持結構和供應商的聲譽(yù)和穩定性。尋找一個(gè)ROTS操作系統或RTOS的供應商時(shí)，調查通常是一個(gè)好的開(kāi)端。

　　當系統響應速度是最重要時(shí)，如控制和監測應用程序，就會(huì )選擇商業(yè)的RTOS，因為它們很依賴(lài)于軟件的執行功能。如果你可以選擇用硬件實(shí)現時(shí)間至關(guān)重要的功能，通常就不需要由RTOS提供嚴格的時(shí)間保證。