基于uC/OS-II的低速率語(yǔ)音編碼器系統設計

關(guān)鍵字: uC/OS-II； TMS320C54X；低速率語(yǔ)音編碼器

引言
隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的數字信號處理芯片應用于各行各業(yè)。但是，以往多數的DSP系統是基于流程圖的設計方法，該方法設計的程序穩定性不高，流程中任意一個(gè)環(huán)節出錯都將導致系統崩潰甚至死機。使用RTOS將對系統的穩定性有很大的改善。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(diǎn)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(diǎn)，適合低速率語(yǔ)音編碼的應用。
uC/OS-II是一種免費應且源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內核，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際應用，顯示出強大的功能和巨大的商業(yè)價(jià)值。本文實(shí)現了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(yǔ)音編碼器的系統設計方案。

圖1 系統結構圖

圖2 任務(wù)狀態(tài)轉移圖

uC/OS-II在TMS320C54X上的移植
要實(shí)現uC/OS-II的移植，主要改寫(xiě)以下三個(gè)文件
OS_CPU.H文件
包括定義數據類(lèi)型、代碼值界區的中斷控制、堆棧增長(cháng)方向變量、任務(wù)切換函數定義和變量聲明。TMS320C54X中的堆棧數據類(lèi)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(jìn)入系統臨界區之前必須關(guān)閉中斷，退出臨界區后再打開(kāi)中斷。uC/OS-II定義了兩個(gè)宏來(lái)關(guān)閉/打開(kāi)中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。
用OS_STK_GROWTH來(lái)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(lái)實(shí)現任務(wù)切換。OS_TASK_SW()函數模擬一次中斷過(guò)程，在中斷返回時(shí)進(jìn)行任務(wù)切換。
另外，還聲明了一個(gè)8位變量，用來(lái)調用DOS的時(shí)鐘節拍函數，在TMS320C54X中應該屏蔽掉。
OS_CPU_A.ASM文件
在此文件中，需改寫(xiě)函數：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()。
OSStartHighRdy(0)函數由Sstart()函數調用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。其過(guò)程為：獲得優(yōu)先級最高任務(wù)的TCB地址→設置堆棧指針→恢復任務(wù)環(huán)境→中斷返回→運行新任務(wù)。在TMS320C54X中實(shí)現如程序列表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()函數是一個(gè)任務(wù)級的任務(wù)切換函數。軟中斷向量指向此函數。在uC/OS-II中，如果任務(wù)調用了某個(gè)函數，而該函數的執行結果可能造成系統任務(wù)的重新調度，則在函數的末尾會(huì )調用OSSched()。OSSched()查找當前就緒最高優(yōu)先級任務(wù)，如果不是當前任務(wù)，則找到該任務(wù)TCB的地址，并拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過(guò)宏OS_TASK_SW()執行軟中斷調用OSCtxSw()進(jìn)行任務(wù)切換。變量OSTCBCur始終包含指向當前運行任務(wù)TCB的指針。在TMS320C54X中實(shí)現如程序列表2。
OSIntCtxSw()函數與OSCtxSw()函數類(lèi)似，不同的是，OSIntCtxSw()函數進(jìn)行中斷級任務(wù)切換。中斷可能引起任務(wù)切換，在中斷服務(wù)程序的最后會(huì )調用OSIntExit()函數檢查任務(wù)就緒狀態(tài)，如果需要進(jìn)行任務(wù)切換，則調用OSIntCtxSw()。值得注意的是，產(chǎn)生中斷后，CPU寄存器會(huì )自動(dòng)被保存，所以，在此函數中不再進(jìn)行環(huán)境保存。在TMS320C54X中實(shí)現如程序列表3。
OS_CPU_C.C文件
在此文件中，只需修改OSTaskStkInit()函數。OSTaskStkInit()由任務(wù)創(chuàng )建函數OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()調用，用來(lái)初始化任務(wù)的堆棧。OSTaskStkInit()與調用它的函數有三個(gè)參數進(jìn)行傳遞：任務(wù)代碼起始地址(task)，參數指針(pdata)，任務(wù)堆棧頂地址(ptos)。為提高代碼效率，此函數用匯編語(yǔ)言改寫(xiě)，在TMS320C54X中實(shí)現如程序列表4。(程序列表1~4，均見(jiàn)本刊網(wǎng)站 http://www.eaw.com.cn)

基于uC/OS-II的低速率語(yǔ)音編碼器系統設計
本系統中，低速率語(yǔ)音編碼器的功能有語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音解碼、回波抵消、模擬接口、數字接口等。另外，為提高系統的穩定性，增加了空閑任務(wù)和監視任務(wù)。系統結構如圖1所示。
系統由里向外分為三層：操作系統層、任務(wù)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(yǔ)音信號和信道上的數據。
任務(wù)層設計
本系統中共有七個(gè)任務(wù)，其優(yōu)先級從高到低依次為：監控任務(wù)、模擬接口任務(wù)、數字接口任務(wù)、回波抵消任務(wù)、編碼任務(wù)、解碼任務(wù)、Idle任務(wù)。各任務(wù)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(guān)系如圖2所示。
監視任務(wù)設計思路為：被監視任務(wù)正常運行時(shí)其執行時(shí)間是可預估的，被監視任務(wù)在其即將運行完畢時(shí)向監視任務(wù)發(fā)送消息說(shuō)明自身運行正常。被監視任務(wù)運行時(shí)，監視任務(wù)處于等待態(tài)，等待被監視任務(wù)給它發(fā)送消息，等待時(shí)間被設定為預計的任務(wù)正常運行所需的最大時(shí)間。若等待時(shí)間內監視任務(wù)收到消息，則認為發(fā)送消息的任務(wù)運行正常，依照各任務(wù)執行順序的先后下一任務(wù)開(kāi)始運行，監視任務(wù)等待下一任務(wù)發(fā)送的消息。若等待時(shí)間已過(guò)，監視任務(wù)仍未收到消息，則系統的時(shí)間管理函數將強行把監視任務(wù)視為就緒態(tài)。因監視任務(wù)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。
操作系統層設計
在應用中，各個(gè)任務(wù)之間都有數據要交換，本設計中采用消息機制實(shí)現任務(wù)間通信。編碼任務(wù)需要模擬接口任務(wù)發(fā)送的消息，以接收用于編碼的語(yǔ)音數據；數字接口任務(wù)需要編碼任務(wù)發(fā)送的消息，以接收用于發(fā)往信道的編碼數據；解碼任務(wù)需要數字接口任務(wù)發(fā)來(lái)的消息，以接收來(lái)自信道的用于解碼的解碼字；模擬接口任務(wù)需要解碼任務(wù)發(fā)來(lái)的消息，以接收用于D/A轉換的數字語(yǔ)音信號?；夭ǖ窒蝿?wù)需要等待的消息來(lái)自模擬接口任務(wù)和解碼任務(wù)。監控任務(wù)接收所有其任務(wù)發(fā)來(lái)的消息，確認系統是否正常運行。
在運行過(guò)程中，操作系統對各任務(wù)進(jìn)行調度。其動(dòng)作為：
系統啟動(dòng)時(shí)，建立所有的任務(wù)，除回波抵消任務(wù)外，都處于就緒態(tài)；
此時(shí)，監控任務(wù)優(yōu)先級最高，查詢(xún)消息隊列，沒(méi)有消息的到來(lái)，轉為等待態(tài)；
模擬接口任務(wù)運行，接收/發(fā)送數據，發(fā)數據給回波抵消任務(wù)，并使回波抵消任務(wù)處于就緒態(tài)；如條件達到(如幀數已夠)，向編碼任務(wù)發(fā)消息，傳送數據，運行完畢，自行進(jìn)入掛起態(tài)，等待下一次串口中斷將其轉為就緒態(tài)；
數字接口任務(wù)運行，接收/發(fā)送數據，如條件達到(如編碼字數夠)，向解碼任務(wù)發(fā)消息，傳送數據，運行完畢，自行進(jìn)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(wù)運行，運行完畢，自行處于掛起態(tài)；
編碼任務(wù)運行，如有模擬接口任務(wù)發(fā)來(lái)的消息，則運行，編碼完畢，向數字接口發(fā)消息；否則，處于等待態(tài)；
解碼任務(wù)運行，如有數字接口任務(wù)發(fā)來(lái)的消息，則運行，解碼完畢，向模擬接口任務(wù)和回波抵消任務(wù)發(fā)消息；否則，處于等待態(tài)；
在所有任務(wù)都執行完畢后，Idle任務(wù)運行。
由于所有的任務(wù)都有嚴格的執行時(shí)間限制，因此，上述的任務(wù)流程在正常情況下可以順利進(jìn)行。否則，監控任務(wù)會(huì )重啟系統。

結語(yǔ)
本文在TMS320C54X的硬件平臺上實(shí)現uC/OS-II，并針對傳統的系統設計方法設計的低速率語(yǔ)音編碼器穩定性不佳的問(wèn)題，提出了基于uC/OS-II的低速率語(yǔ)音編碼器系統設計的方案。由于低速率語(yǔ)音編碼器通常是單片的，內部任務(wù)相對較少。使用實(shí)時(shí)內核來(lái)管理這些任務(wù)，會(huì )增加系統的內存和CPU時(shí)間的消耗，而任務(wù)調度的優(yōu)勢不能很好地顯示出來(lái)，該設計有一定局限性。但是，在系統的內存足夠大、CPU運行速度足夠快的情況下，使用實(shí)時(shí)內核設計低速率語(yǔ)音編碼器，有利于系統的后繼開(kāi)發(fā)。

參考文獻
1 Jean J.Labrosse. uC/OS-II-源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統[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(kāi)發(fā)應用[M]. 電子工業(yè)出版社，2000