周春良1,2，樊文杰1,2，王連成1,2，馮曦1,2，周芝梅1,2，唐曉柯1,2

　?。?. 北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點實驗室 電力芯片設(shè)計分析實驗室，北京 100192；2. 北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京 100192）

        摘要：在介紹實時操作系統(tǒng)Nucleus Plus和LTE230芯片及硬件平臺的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了Nucleus Plus移植過程中的系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)初始化、內(nèi)存管理、中斷管理、高級中斷和任務(wù)管理以及操作系統(tǒng)的測試，指出了Nucleus Plus在LTE230芯片上移植的重點和難點。目前移植的操作系統(tǒng)已成功應(yīng)用于LTE230通信模塊中，操作系統(tǒng)的實時性、任務(wù)及中斷管理完全滿足系統(tǒng)需求。

　　關(guān)鍵詞：Nucleus Plus操作系統(tǒng)；CEVA-X1643 DSP；移植；中斷；任務(wù)

　　中圖分類號：TP316.2文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.007

　　引用格式：周春良，樊文杰，王連成，等. 實時操作系統(tǒng)Nucleus Plus在LTE230芯片上的移植［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（1）：22-24,31.

0引言

　　LTE230芯片是針對230M電力無線通信專網(wǎng)推出的終端基帶芯片，芯片采用軟件無線電技術(shù)，除物理層時域部分用中頻電路實現(xiàn)，物理層頻域和比特符號級處理、協(xié)議層媒體訪問和無線資源控制、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議以及芯片內(nèi)外大量設(shè)備管理都是用CEAVX1643 DSP（簡稱X1643）軟件來實現(xiàn)［1］，因此軟件非常復(fù)雜，涉及到很多實時性要求較高的中斷和任務(wù)，傳統(tǒng)的基于中斷觸發(fā)的軟件架構(gòu)已不能滿足芯片基帶處理的需要，須將實時操作系統(tǒng)及其多任務(wù)調(diào)度機制引入進來，通過多任務(wù)管理來完成系統(tǒng)的多種功能及功能的擴展與更新，達到簡化DSP軟件設(shè)計、提高開發(fā)效率的目的。

　　目前主流的商用實時操作系統(tǒng)都不支持X1643，同時使用CEVA DSP的芯片廠商所需支持操作系統(tǒng)皆是自行購買后進行移植，故可借鑒的經(jīng)驗很少。經(jīng)詳細(xì)評估，考慮到實時性、內(nèi)核大小、用戶數(shù)等諸多因素，最終選定Mentor Graphics的Nucleus Plus操作系統(tǒng)（簡稱Nucleus）作為移植對象。Nucleus是為實時嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的一款基于優(yōu)先級的搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持ARM等主流處理器，最新版本接近99%的代碼是用ANSI C編寫的，非常便于移植。在典型的目標(biāo)環(huán)境中，核心代碼不超過20 KB。Nucleus采用軟件組件的方法，易于替換和復(fù)用，常用組件包括任務(wù)控制、內(nèi)存管理、中斷管理及定時器管理等［2］。

1芯片及其硬件平臺

　　芯片是一個以DSP為核心的SoC，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，片內(nèi)集成了高性能的X1643處理器、大容量的eDRAM存儲器、具有載波聚合功能的中頻模塊以及通用的UART、SPI、I2C、Timer、WDT、GPIO、PWM等外設(shè)。

　　基于芯片的通信模塊采用基帶芯片+射頻芯片的方案，如圖2所示?；鶐酒c射頻芯片之間的控制接口為SPI，數(shù)據(jù)接口為JESD207；與電力終端之間的控制與數(shù)據(jù)接口皆為串口。

2操作系統(tǒng)移植

　　Nucleus暫不支持X1643，在芯片上進行移植涉及到系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)初始化、內(nèi)存管理、中斷管理和任務(wù)管理等工作。X1643采用單指令多數(shù)據(jù)SIMD和超長指令字VLIW相結(jié)合的架構(gòu)，其核心寄存器約有100多個，包括累加寄存器ACF、尋址寄存器ARF、程序寄存器SRF、模式和狀態(tài)寄存器MSR、斷定寄存器PR以及存儲子系統(tǒng)寄存器MSSR幾大類［3］，相比于ARM處理器，寄存器的分類及功能有較大的不同，移植時有些寄存器的使用須特別注意。

　　2.1系統(tǒng)啟動

　　芯片通過BootStrap Pin來控制啟動方式?？山?jīng)BootROM引導(dǎo)，通過串口或SPI Flash把操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序加載到TCM和eDRAM中執(zhí)行；因X1643支持從指定的地址啟動，也可通過SPI控制器的memory mode直接從SPI Flash啟動程序；在早期的調(diào)試過程中，可使用JTAG仿真器把程序直接下載到TCM和eDRAM后開始執(zhí)行。與ARM等處理器稍有不同的是，Program TCM不能通過X1643內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和芯片系統(tǒng)總線訪問，只能通過JTAG或使用Program DMA進行程序加載。

　　2.2系統(tǒng)初始化

　　系統(tǒng)正常啟動后，PC指針將跳到零地址，即Program TCM中，開始系統(tǒng)的初始化。首先進行板級初始化，主要過程如圖3所示。

　　BootROM中會對時鐘復(fù)位及存儲器控制等進行基本的初始化，在板級初始化時主要進行操作系統(tǒng)本身及X1643核的初始化操作。操作系統(tǒng)的啟動棧放在系統(tǒng)的內(nèi)存池中，在切換到系統(tǒng)棧后，啟動棧占用的空間將會被回收到內(nèi)存池中。X1643提供的“飽和”、“乘移位”、“?！钡炔僮魇轻槍μ囟ǖ臄?shù)字信號運算的，操作系統(tǒng)不會使用，在初始化中須關(guān)掉，以防誤觸發(fā)引起程序行為異常,匯編代碼如下：

　　;Clear all saturation mechanisms

　　mov moda, a0

　　or #0x1F, a0

　　;Disable multiplier post shift mechanisms

　　mov #0xFFFF1FFF, a1

　　and  a1, a0

　　mov a0, moda

　　;Disable the modulo mechanisms

　　mov mod0, r0

　　ands r0, #0xffffff00, r0

　　mov r0, mod0

　　X1643采用編譯器驅(qū)動的架構(gòu)，指令流水線的數(shù)據(jù)、資源及控制相關(guān)是通過編譯器來解決的，但編譯器對匯編代碼不做處理，故在編寫初始化及其他匯編代碼時，需手工加nop指令來隔離相關(guān)操作，這一點須特別注意。

　　板級初始化后的操作系統(tǒng)軟件組件初始化和應(yīng)用程序初始化都是用C代碼實現(xiàn)的，其過程與在ARM處理器上相似，在此不再詳述。

　　2.3內(nèi)存管理

　　Nucleus提供分區(qū)內(nèi)存管理和動態(tài)內(nèi)存管理兩種方式，前者具有非常好的確定性，但不夠靈活；后者非常靈活，但內(nèi)存分配與回收的時延不夠確定?？紤]到芯片基帶處理的內(nèi)存需求很明確，故選用分區(qū)內(nèi)存管理的方式。具體的內(nèi)存分配如圖4所示。

　　圖4中，Code Segment0使用Program TCM, Data Segment0使用Data TCM, X1643是哈佛結(jié)構(gòu)，兩個TCM使用相同的地址空間。eDRAM起始地址為0x400000，總?cè)萘? MB，前一部分分配給代碼段，后一部分分配給數(shù)據(jù)段。內(nèi)存池起始地址在BSS段之后，結(jié)束地址為eDRAM末尾。Nucleus要求BSS段是鏈接時的最后的數(shù)據(jù)段，BSS后的空間保留給內(nèi)存池，不能被占用，但鏈接器在鏈接基帶處理中調(diào)用CEVA庫函數(shù)時看不到這個區(qū)域，須加鏈接約束，確保其位于BSS之前。

　　2.4中斷管理

　　X1643有5個中斷源，其中INT0、INT1和INT2分別來自中頻、外設(shè)（所有外設(shè)中斷經(jīng)中斷控制器合成一個中斷源）和OS Tick Timer，INT3和INT4保留給X1643內(nèi)部Program和Data DMA，僅在啟動時使用，可采用查詢方式。在操作系統(tǒng)中只對INT0、INT1和INT2進行處理，且這三個中斷使用統(tǒng)一的通用中斷處理程序，通過ID來區(qū)分。在操作系統(tǒng)中，可調(diào)用NU_Register_LISR把每個低級中斷服務(wù)程序LISR注冊到中斷函數(shù)指針數(shù)組中。LISR耗時極短，僅能調(diào)用極少的系統(tǒng)服務(wù)，復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)調(diào)用可激活高級中斷服務(wù)程序HISR來完成。

　　當(dāng)中斷發(fā)生時，處理流程如下：

　?。?）進入中斷入口，關(guān)中斷(硬件） ；

　?。?）設(shè)置中斷ID到a0，并保存a0原先的值到棧中，進入通用中斷處理程序；

　?。?）保存X1643寄存器到棧中（push)；

　?。?）保存棧指針，切換棧指針到系統(tǒng)棧；

　　（5）跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)中斷服務(wù)入口，進行中斷處理（LISR）；

　　（6）恢復(fù)棧指針；

　?。?）如中斷服務(wù)程序要求上下文切換，進行上下文切換（context switch，HISR)；

　?。?）從棧中恢復(fù)X1643寄存器(pop)；

　　（9）恢復(fù)中斷ID占用的a0寄存器；

　?。?0）開中斷，中斷返回。

　　編譯器把X1643內(nèi)部寄存器分為兩類：CallUsed寄存器和CallSaved寄存器［4］。為提高中斷處理效率、降低處理延遲，在步驟（3）、（8）中僅保存和恢復(fù)CallUsed寄存器。CallUsed寄存器主要有：

　　ACF(40bit register):a0~a7,a16~a23

　　ARF:r0~r3,g1~g3,s0~s1,modu0,modu1

　　SRF :lcstep0,lcstep1, lci0~lci3

　　MSR和PR: mod0,moda

　　2.5高級中斷和任務(wù)管理

　　Nucleus高級中斷可認(rèn)為是一種優(yōu)先級較高的任務(wù)，兩者都有各自的堆棧空間，在創(chuàng)建時進行堆棧初始化，在調(diào)用之前要保存上下文（堆棧），在調(diào)用之后要恢復(fù)上下文（堆棧）。在移植操作系統(tǒng)時，重點關(guān)注的是高級中斷和任務(wù)與X1643體系結(jié)構(gòu)及編譯器密切相關(guān)的堆棧結(jié)構(gòu)及初始化、堆棧保存及恢復(fù)的實現(xiàn)過程。

　　Nucleus堆棧有兩種：Solicited Stack和Unsolicited Stack。堆棧初始值僅在第1次調(diào)用時會用到，此時真正需要通過堆棧得到的值是高級中斷和任務(wù)運行的地址及傳遞的參數(shù),大多數(shù)寄存器初值只要不影響運行，可不初始化。

　　Solicited Stack用于高級中斷，是一種minmum stack。在進入LISR時，已保存了CallUsed寄存器，Solicited Stack只須保存CallSaved寄存器。Solicited Stack數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是在C語言中聲明的。需要注意的是，X1643 ACF a8~a15是40 bit的寄存器，為使push/pop處理方便，高8位按“UINT32 a8e”方式聲明。此外，針對數(shù)字信號處理中大量運算都集中在循環(huán)執(zhí)行少量核心代碼上，為省去循環(huán)計數(shù)測試指令，X1643設(shè)置了最大4級嵌套的零消耗循環(huán)控制專門硬件（BlockRepeat Mechanism Register［3］）來提高代碼執(zhí)行效率。用匯編語言編寫高性能循環(huán)代碼或用C語言編寫，且在加高級優(yōu)化選項編譯時會用到循環(huán)控制硬件寄存器，為確保程序運行正常，須初始化這4組寄存器為0。同樣在進行上下文切換時，須對這4組寄存器進行保存和恢復(fù)，這4組寄存器使用相同的名字，其保存匯編代碼如下：

　　bkst  ;第1組

　　push{dw}bknest1 || push{dw} bknest0

　　;第2/3組與第1組操作類似，此處省略

　　bkst  ;第4組

　　push{dw} bknest1 ||push{dw} bknest0

　　Unsolicited Stack用于任務(wù),須保存當(dāng)前所有寄存器，其初始化、保存及恢復(fù)操作與Solicited Stack類似，但因其包含了用于“飽和”、“?！钡炔僮鞯募拇嫫鳎薯殞SR的mod0和moda進行初始化。

3操作系統(tǒng)測試

　　操作系統(tǒng)移植后的測試分兩步：首先應(yīng)用Kernel Demo［2］進行基本功能測試；然后應(yīng)用LTE230附著過程進行典型場景測試。

　　Kernel Demo創(chuàng)建了7個任務(wù)、1個消息隊列、1個信號量和1個事件組。Task_0是一個定時器任務(wù)，每隔1 s產(chǎn)生一個事件；Task_1是一個生產(chǎn)者任務(wù),向隊列中發(fā)送消息；Task_2是一個消費者任務(wù)，從隊列中獲取消息；Task_3和Task_4使用相同的任務(wù)入口函數(shù)來競爭一個信號量；Task_5等待Task_0產(chǎn)生的事件，并對事件進行計數(shù)；Task_6檢測串口按鍵輸入，輸出Task_0到Task_5的狀態(tài)信息。

　　LTE230附著是終端開機后與網(wǎng)絡(luò)建立連接的必要過程，包括小區(qū)搜索、隨機接入、MIB/SIB接收等步驟。在附著過程中，除OS Tick中斷外，還須處理中頻模塊收發(fā)相關(guān)的4個中斷、1個物理層定時中斷、發(fā)送和接收2個任務(wù)以及中斷與任務(wù)之間的信號量通信。

　　Kernel Demo和LTE230附著過程正常工作，表明操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度、中斷處理及通信機制功能正常，在此基礎(chǔ)上，可進行完整的芯片驅(qū)動、LTE協(xié)議棧、TCP協(xié)議棧、業(yè)務(wù)通道處理等整個軟件系統(tǒng)的移植和測試。

4結(jié)論

　　本文詳細(xì)介紹了Nucleus在LTE230芯片上的移植過程和注意事項，目前移植的操作系統(tǒng)已在試點項目的通信

　　模塊中穩(wěn)定運行了一年多，充分表明操作系統(tǒng)移植是很成功的。因操作系統(tǒng)移植是基于LTE230芯片的X1643進行的，故在移植過程中需對X1643內(nèi)核寄存器有深刻的理解，用匯編語言完成板級初始化及任務(wù)調(diào)度和中斷處理時對內(nèi)核寄存器的保存和恢復(fù)等操作，這是針對一款新的處理器進行操作系統(tǒng)移植的重點和難點。本文論述的方法對其他嵌入式實時操作系統(tǒng)在CEVA系列DSP核上進行移植也有重要的參考意義。

參考文獻

　?。?］ 周春良，張峰，程倫，等. LTE230無線通信基帶芯片的設(shè)計與應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(12)：4850

　?。?］Mentor Graphics，Inc.. Nucleus Kernel Guide［Z］.2013.

　　［3］ CEVA，INC.. CEVAX1643 Architecture Specification［Z］.2012.

　　［4］CEAV，INC.. SmartNcode SDT Users Guides V9.2［Z］.2011.