TMS320F28x上RTOS移植關(guān)鍵技術(shù)分析

　　TMS320F28x（簡(jiǎn)稱(chēng)“F28x”）數字信號處理器是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP控制器，其頻率高達150 MHz，大大提高了控制系統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，需要對編譯器、系統啟動(dòng)過(guò)程、中斷處理過(guò)程以及整體代碼執行流程有一個(gè)全面的深入理解。對系統的整個(gè)運行過(guò)程有清晰的概念是移植實(shí)時(shí)操作系統的前提條件。本文將對從DSP上電復位到其系統功能實(shí)現的整個(gè)運行過(guò)程進(jìn)行深入介紹，并在此基礎上進(jìn)一步分析在F28x系列DSP上移植實(shí)時(shí)操作系統一般原理，詳細說(shuō)明μC/OSⅡ的移植。

1 BootROM及其運行

　　在F281x、C281x、R281x器件中都有一塊4K×16位的BootROM。當引腳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(chǎng)前就已經(jīng)燒寫(xiě)好了一個(gè)啟動(dòng)程序以及一些其他數據和表格(版本信息、復位向量、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VMAP=1、ENPIE=0時(shí)，系統將從BootROM的0x3FFFC0復位。雖然復位后ENPIE為零，但大部分系統都是需要使能外部中斷擴展模塊的，即用戶(hù)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位向量；而其他的中斷向量是指向M0SRAM用于芯片測試的，通常用不到。狀態(tài)位和向量表映射關(guān)系如表1所列。

2 從上電復位到用戶(hù)代碼

　　當系統重啟（上電或熱啟動(dòng)）時(shí)，引腳XMPNMC的信號將被鎖存到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(fǎng)問(wèn)的是內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在芯片內部被拉低，也就是說(shuō)，當器件重啟后，它總是自動(dòng)從內部的BootROM啟動(dòng)。如果XMPNMC為高電平，則表示系統將從XINTF zone7中獲取復位向量。即從外部獲取中斷向量（地址見(jiàn)表1）時(shí)，必須確保復位向量所指向正確的地址。這一般在希望自己編寫(xiě)啟動(dòng)程序時(shí)使用。本文對此不作具體討論。

　　當XMPNMC為低電平時(shí)，系統從內部獲取復位向量。這個(gè)復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。所以上電復位后，程序將跳轉到InitBoot函數。

　　InitBoot函數首先對器件初始化，F281x器件將被配置為F28x工作模式。如果希望執行C2xLP兼容程序，則需要用戶(hù)自己寫(xiě)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(hù)應避免使用。初始化完成后，程序轉向執行SelectBootMode函數。此函數將掃描通用I/O口（GPIO），以確定啟動(dòng)模式，如表2所列，包括跳轉到Flash、跳轉到H0 SARAM、跳轉到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）。對于Flash、H0 SARAM、OTP模式，有一個(gè)固定的跳轉地址（見(jiàn)表2）；而對于從SCI、SPI啟動(dòng)時(shí)，程序起點(diǎn)將調用bootloader按一定的格式（具體格式見(jiàn)參考文獻[3]）從外部獲取。

　　最后，BootROM執行exitboot函數。執行這個(gè)函數包括： 置CPU狀態(tài)為缺省，將SP指向0x400，跳轉到程序起點(diǎn)等工作。exitboot執行后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(kāi)始，就進(jìn)入用戶(hù)程序區了。對于匯編程序，可以在程序起點(diǎn)處寫(xiě)一條跳轉到Start（如果程序起點(diǎn)是Start）的指令。匯編情況比較簡(jiǎn)單，跳轉到Start后，各項初始化代碼工作都由自己完成。對于C語(yǔ)言程序，通常的做法是在程序起點(diǎn)處放置一條跳轉指令，轉到_c_init0。然后程序的執行分為使用或不使用BIOS兩種情況。

　　從rts.src中提取boot28.inc文件，其中包括對于不使用BIOS的情況下，啟動(dòng)后從_c_init0到main函數中間所做的工作。因為這段代碼是由C編譯器自動(dòng)運行的，因而常被初學(xué)者忽視，以致對其后自己編寫(xiě)的C代碼的運行環(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運行環(huán)境（CPU寄存器和模式寄存器的配置）；
　　◇ 復制cinit、pinit表、.const、.econst常量到工作區；
　　◇ 跳轉到main函數。

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

　　C28OBJ；選擇C28x對象模式
　　C28ADDR；清除地址模式位
　　C28MAP；設置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對齊

　　這些代碼設置了C語(yǔ)言的運行環(huán)境。在用戶(hù)程序中編寫(xiě)的匯編代碼不應該破壞這個(gè)環(huán)境，否則C語(yǔ)言將無(wú)法正常運行。

3 中斷代碼的執行

　　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～INT14、RTOSINT、DLOGINT）。其中,INT1~INT12由PIE控制單元管理。每個(gè)INT可以對應8個(gè)外設中斷，即PIE可以控制96個(gè)中斷源。

　　下面對可屏蔽中斷響應過(guò)程作一介紹：

　?、?外設發(fā)出中斷請求。
　?、?DSP看中斷請求是否被允許。設計PIEIER、PIEACK、IER、INTM等寄存器和標志位的設置，具體參見(jiàn)參考文獻[4]。
　?、?如果中斷允許，則先執行完進(jìn)入解碼的二階段之后的指令，將其他指令沖出流水線(xiàn)。系統將自動(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: 當中斷被允許后會(huì )立即清除IFR中相應標志位；但是，如果此時(shí)中斷信號仍有效（保持低電平），那么，相應IFR標志位又會(huì )被置位（不過(guò)這時(shí)此中斷不會(huì )被立即響應）。這是因為CPU禁止了所有的硬件中斷響應，當ISR開(kāi)始執行時(shí)，它才解除禁止；并且，在執行ISR之前（此時(shí)原來(lái)的IER已保存），當前中斷的IER中相應位被清零。也就是說(shuō)，同一中斷源的中斷不會(huì )再被響應，要等到中斷服務(wù)子程序中用戶(hù)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IER。

　?、?執行中斷服務(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中取指運行；但是，有時(shí)會(huì )要求將程序調到RAM中來(lái)執行。一方面是為追求更高的速度；另一方面是為了讓Flash有最好的運行性能，需要修改Flash的等待狀態(tài)周期，使能Flash Pipeline，而對Flash的操作必須在RAM里面執行，這些操作函數就必然要從Flash中調到RAM中執行。對于這些程序，在啟動(dòng)后用戶(hù)程序中需要先完成存儲器拷貝工作?？截惖絉AM中之后，才能調用這些函數，順序不能亂。

5 在DSP上移植實(shí)時(shí)操作系統

　　所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運行。在移植軟件之前，先要正確配置處理器的運行模式，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(xiě)的；但仍需要用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)一些與處理器相關(guān)的代碼。這是因為在讀寫(xiě)處理器寄存器時(shí)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現。

　　對于同時(shí)使用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的實(shí)時(shí)操作系統移植，必須小心使用匯編語(yǔ)言，防止破壞C語(yǔ)言運行環(huán)境。一方面不可以改變相關(guān)狀態(tài)位；另一方面匯編函數的編寫(xiě)需要遵循C編譯器的調用規則。從復位到用戶(hù)程序編譯器做的設置工作見(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(kāi)始時(shí)要自己寫(xiě)現場(chǎng)保護程序。就實(shí)時(shí)操作系統而言，進(jìn)入中斷和退出中斷須對系統堆棧進(jìn)行現場(chǎng)保護。維護堆棧結構時(shí)，需要注意處理器堆棧的生長(cháng)方向。雖然絕大多數微處理器和微控制器的堆棧是從上往下長(cháng)的，但TI公司的DSP一般為從下往上長(cháng)。

　　一般實(shí)時(shí)操作系統需要先禁止中斷再訪(fǎng)問(wèn)代碼的臨界段，并且在訪(fǎng)問(wèn)完畢后重新允許中斷。這就使得系統能夠保護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)現方法是直接調用處理器指令來(lái)禁止中斷和允許中斷。

　　筆者選擇了目前應用比較廣泛的實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-Ⅱ。要移植μC/OS-Ⅱ需要滿(mǎn)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(kāi)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據(可能是幾千字節)的硬件堆棧；
　　◇ 處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆?；騼却嬷械闹噶?。移植工作包括以下幾個(gè)內容：
　　◇ 用#define設置一個(gè)常量的值(OS_CPU.H)；
　　◇ 聲明10個(gè)數據類(lèi)型(OS_CPU.H)；
　　◇ 用#define聲明3個(gè)宏(OS_CPU.H)；
　　◇ 用C語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單的函數(OS_CPU_C.C)；
　　◇ 編寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言函數(OS_CPU_A.ASM)。

　　移植的難點(diǎn)在于實(shí)現OS_CPU_A.ASM。這個(gè)文件的實(shí)現需要十分清楚處理器啟動(dòng)過(guò)程和中斷處理，以及代碼的運行過(guò)程。由于TI公司的DSP堆棧從下往上長(cháng)，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)刻注意自己設計的堆棧結構。

_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

結語(yǔ)

　　本文詳細說(shuō)明了從上電復位開(kāi)始，DSP中程序運行的過(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DSP/BIOS啟動(dòng)、中斷執行、從RAM中執行代碼等問(wèn)題的探討，了解DSP的運行機制，掌握移植實(shí)時(shí)操作系統的關(guān)鍵技術(shù)知識。筆者成功地將實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-Ⅱ移植到了TMS320LF2812數字信號處理器上。