在晶心平臺運行具 OSC 的 FreeRTOS

晶心科技設計 IP 的目的，是滿(mǎn)足客戶(hù)實(shí)際需求，提供低功耗高效率的產(chǎn)品 給客戶(hù)，讓客戶(hù)可以做出極具競爭力的 SoC，達到客戶(hù)與晶心科技雙贏(yíng)的目的， 本文介紹具 OSC 的 FreeRTOS 產(chǎn)品，巧妙地與 AndesCore?結合，客戶(hù)導入產(chǎn)品 后，具競爭力與實(shí)用性，本文的目的是期望能夠讓更多的讀者清楚這個(gè)產(chǎn)品的特 性與優(yōu)勢進(jìn)而使用此產(chǎn)品。

某些電子產(chǎn)品的應用是不同的時(shí)間需要運行不同的功能，這時(shí)需要大空間的 ROM  與  RAM  來(lái)存放在運行時(shí)會(huì )用到的各式各樣的功能。因為 CPU 同時(shí)間只 會(huì )運行一種功能。所以在務(wù)實(shí)與經(jīng)濟的考慮下可以使用 overlay 的方式來(lái)滿(mǎn)足此 類(lèi)型產(chǎn)品的需求，將大幅降低 RAM 空間的使用，讓硬件成本降低，使得產(chǎn)品競 爭力大大的提升。達成 overlay 的方式有兩種，純軟件 overlay 與硬件加速  overlay。 純軟件的 overlay 不需增加硬件，但軟件工程師寫(xiě)程序時(shí)需自己配置 functions 擺 放的位置，容易出錯；呼叫 functions 時(shí)需要經(jīng)過(guò)額外的處理，降低程序效能。 因此純軟件的方法多用于只需偶爾更換 overlay 的應用。例如 audio player，一條 歌播完，下一條開(kāi)始前，才需要檢查是否要用不同 decoder。我們有另一篇文章 針對軟件 overlay 做介紹，本文不多加探討。

硬件加速的  overlay  使用少許硬 件 ， gate  count  <  2K  (OSC,  Overlay  SRAM Controller)，提供軟件透明的 overlay 處理。軟件工程師寫(xiě)程序時(shí)，可以假設有一 個(gè)很大的連續程序空間，完全不需配置 functions 擺放的位置，這大大增加開(kāi)發(fā) 程序的效率；同時(shí)，呼叫 functions 時(shí)完全沒(méi)有任何純軟件方式的 overhead。上 述之 OSC 優(yōu)點(diǎn)可以符合客戶(hù)這類(lèi)的需求，如果客戶(hù)系統復雜，要做的事比較多， 需要用到多任務(wù)（Multi-tasking），則晶心科技「支援 OSC 的 FreeRTOS 產(chǎn)品」 就是最佳解方案。

1. Andes OSC  工作原理

先設定AndesCore? NCEOSC100 IP中寄存器，再與運行軟件做整合搭配， 即可執行OSC的功能。

1.1 設定 OSC IP 的寄存器與動(dòng)作解說(shuō)

■   OSC Control Register, OSCCTRL (+0x00)

■   OVL_SZ: 3’h4 (16KB) RO/WI

■   OVL_VALID: 0

■   Fixed Region Size Register, OVLFS (+0x04)

■   OVL_FSZ: 8’h18 (96KB)    RW

■   Overlay Region Base Register, OVLBASE (+0x08)

■   Overlay Region End Register, OVLEND (+0x0C)

在OSC設計中SRAM分為兩個(gè)區域，一個(gè)是”fixed region” ，另一個(gè)是 “overlay region”，fixed region  為低地址的  SRAM  ，其大小由OVLFS  寄存器設 定。  overlay region  是一個(gè)動(dòng)態(tài)的區域，其地址由OVLBASE寄存器設定，大小 由  OVL_SZ 設定。當CPU運行時(shí)存取地址落在寄存器  OVLBASE與OVLEND之 間時(shí)OSC將自動(dòng)轉址到SRAM的overlay region內，如圖1所示。

因應實(shí)際需求設定多個(gè)Overlay  區域，當發(fā) 生  ”Overlay  Miss”  時(shí) ，經(jīng)由 Overlay Exception的機制與軟件的搭配，可以將storage 中的  overlay   page N  復 制到 SRAM 中的Overlay Region，如圖1所示。關(guān)于overlay page 置換的工作原 理將于下兩個(gè)章節中做說(shuō)明。

圖 1. Overlay 范例說(shuō)明

CPU運行時(shí)存取地址不在fixed region  或是當時(shí)有效的  overlay page  時(shí)，會(huì ) 發(fā)生 Overlay  Miss 。當 Overlay  Miss  發(fā) 生時(shí) OSC 會(huì )產(chǎn) 生 illegal  instruction (32’hcoddcodd)造成general exception。因為也有其他原因會(huì )產(chǎn)生general exception， 如何區分出overlay miss  與其他general exception，將于下個(gè)章節說(shuō)明。

1.2 Overlay Exception 偵測

當進(jìn)入  general  exception  時(shí)可透過(guò)軟件檢驗下列程序來(lái)判斷是否為overlay miss:

Step 1 如果  interrupt level  已經(jīng)到達最大值  (PSW.INTL == Max INTL)  ，這是  fetal error 不是overlay miss。

Step 2 必須是ITYPE.EYPE==1，才有機會(huì )是overlay miss。

Step 3  檢查IPC值，如果是落在fixed region  或是當時(shí)有效的  overlay page 時(shí) 這是真 正的  illegal  exception  case.  如果 不 是在這 兩個(gè) 區域 則是 overlay miss。

經(jīng)過(guò)前面3步驟驗證，如果確定是overlay miss  ，則可進(jìn)行Overlay exception handling 的動(dòng)作。

1.3 執行 Overlay Exception Handling 的動(dòng)作

確定  overlay miss  后，做更新overlay region的動(dòng)作。

Step 1 得到新的overlay region  地址:

-    從IPC得到更新overlay page的起始位置。

-    更新OVLBASE  寄存器。

Step 2 更新的overlay page內容復制到  SRAM  中的overlay region

Step 3 最后執行iret返回overlay miss發(fā)生時(shí)的地址。

2. 具 OSC 的 FreeRTOS 介紹

Andes 結合OSC 與 FreeRTOS設計出具 OSC的FreeRTOS ，OSC的功能與 原理已經(jīng)于上個(gè)章節介紹，本章節將說(shuō)明具 OSC的FreeRTOS與一般FreeRTOS 的差異處，并列舉范例程序的運行，展現OSC與FreeRTOS的功能。

2.1 具OSC的FreeRTOS內存配置

具OSC的FreeRTOS其內存配置如圖2，范例程序的linker script設定了LMA(系 統image)的內存配置模式，其中loverlay0, overlay1  與  overlay2是仿真  storage 的 地址。linker script 設定VMA(系統執行時(shí))的內存配置模式，當系統運行進(jìn)入 overlay1,  2...  時(shí)產(chǎn)生overlay  miss  觸發(fā)  exception  將overlayN 內的 數據復制到 overlay region  中，這樣的設計達到一份Overlay Region  的SRAM空間可以在不同 時(shí)間執行對應不同的overlayN程序代碼的目的。

圖 2.具 OSC 的 FreeRTOS 內存配置圖

2.2 osc_hisr task

從圖2的overlay0, 1, 2 中可以發(fā)現系統會(huì )運行task1與task2。說(shuō)明FreeRTOS 做overlay region置換時(shí)也會(huì )執行scheduler 做置換task 的工作。本范例程序設計 是在standard FreeRTOS 中增加一個(gè) osc_hisr task 做overlay region 置換與管理 的工作。如何達到OSC 與  osc_hisr task的結合需從Overlay Exception Handling的 動(dòng)作開(kāi)始研討:

●    當 overlay exception  被觸發(fā)時(shí)，送 message 給  queue 啟動(dòng)  osc_hisr task。

●    因為 osc_hisr task  做 overlay region  資料的置換，所以 osc_hisr task  尚未執 行完成前，不可以執行 Overlay Exception Handling 的  iret.

osc_hisr task  的主要工作在:

●    Map overlay region

●    overlay region  數據的復制。

osc_hisr task  設計的原則:

●    此 task  必須是最高 priority task.

●    此  task 必須放在 fixed region.

2.3 范例程序運行

具 OSC 的 FreeRTOS  在 Andes EVB 上直接運行得到的結果如圖 3，范例程 序中鍵入 3 時(shí)，是進(jìn)行 task 轉換，因為不同 task 運行相對應的 overlay function 從 console task  轉成 task1  再轉成 task2 也會(huì )產(chǎn)生相對應的 page fault 執行 osc_hisr task。由圖 3 紅色箭頭與數字轉變可以得知 task 轉換啟動(dòng) function  overlay 運作， 從此范例程序中可同時(shí)驗證 OSC 與 FreeRTOS 兩者的功能。

圖 3.范例程序執行結果

3.  結語(yǔ)

本文第一章說(shuō)明 Andes OSC 的工作原理與功能，第二章說(shuō)明 FreeRTOS 如何 與 Andes  OSC 整合運作，在 OSC 的 FreeROTS 中也增加一個(gè)最高 priority task “osc_hisr” 來(lái)執行 OSC 相對應的功能，進(jìn)而說(shuō)明了具 OSC 的 FreeRTOS 需注意 的設計原則，具 OSC 之 FreeRTOS 是由軟件與硬件單元所組成，兼具硬件的效 能與軟件的彈性。

已經(jīng)有業(yè)界客戶(hù)取得 Andes 具 OSC 之 FreeRTOS，開(kāi)發(fā)出具競爭力產(chǎn)品在市 面上銷(xiāo)售，由此可知具 OSC 之 FreeRTOS 具有經(jīng)濟實(shí)用的價(jià)值，可以協(xié)助客戶(hù) 在使用 AndesCore?時(shí)，設計出具有彈性且高附加價(jià)值之產(chǎn)品。