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Abstrac t : In o rder to adapt the com p lex ity and var ie ty fo r the app lication o f D SP and to shor t the per iod o f dev elopm en, t a distr ibuted D SP real ti m e o pe ra tion sy ste m na m ed T FO S w a s deve loped fo r a para llel D SP sy stem, w h ich con sists o fm ulti D SP s( A D SP -T S201S D SP ). TFO S w as designed and i m ple m en ted from ten aspec ts including task m anag e m en, t task schedu ling m anag e m en, t interrup t handling , ti m e r m anag e m en, t sy stem ro ute m anag e m en, t me m ory m anagem en, t sem aphore , resource , ev en t and m e ssage pa ssing . The perfo r m ance f ig ures show tha tT FO S is sa tisfied w ith user need and rea l ti m e co nstra in. t TFO S is a lso genera, l transplan tab le and fit fo r var io usD SP para lle l sy ste m. K ey word s : distr ibu ted; RTO S; D SP ; para lle;l AD SP -T S201S
随着数字信号处 理 ( D SP ) 技 术的迅 猛发展 , 各 种高性 能 的数字信号处 理芯 片应 运而 生 , 在雷 达、 声 纳、 图 像处 理、 通 [1 , 2] 信、 生物医学、 自 动控 制等 领域 发挥 越来 越重 要的 作 用 . 然而 , 在实际应用中 , 由于需要 处理的 数据量 非常大、 实时 性 要求 高 , 即 使采用 目前最 先进的 D SP 芯片 , 单个 器件也无 法 满足 实际的应 用需求 , 因 此 , 通常采用 多 D SP 构 成的并行 数 字信号处理系统 . 并行数字信号处理系统日益庞大 , 应用趋于 复杂化 , 系统实时性、 可靠性需 求的提 高 , 需要考虑 的各种 情 况也成指数增加 , 使得软件开发的难度和工作量相应增加 , 但 开发周期却要求越来 越短 . 软件开 发人员 不仅要 面对复 杂的 软件算法 , 同时还必须对系统的硬件结构有深入的了解 , 把大 部分精力放在各种外 围设备 和相关 硬件控制 上 , 整个过 程复 杂而 艰辛 , 这些都 极大地 影响着 开发进 度 , 阻 碍了 D SP 系 统 的推广应用 . 因此 , 为 并行数字 信号处 理系统 开发小 巧精致、 便于移植的分布式实 时操作系统 [ 3-6] , 具有实际的意义 . 针对并行 D SP 应用的复杂性和多 样性 , 结合自行研 制的 多 D SP 并行 数字 信号 处理 系统 , 设计 并实 现了 运行 在美 国 AD I公司的 A D SP -T S201S 数字信 号处 理器上 的满 足用户 需 要的高性能分布 式 D SP 实时 操作系 统 , 简 称 TFO S. T FO S 具
小型微来自型计算
机
系
统
2010 年
该层中与 D SP 芯片直接相关的部分提取成 单独的函 数 , 便 于 今后其它 D SP 芯片的移植 . 3 . 2. 1 任务管理 T FO S 是 为多任 务操 作系统 设计 的 , 为了突 显任 务的 相 对重要性 , 实现任 务按 优先 级进 行调 度 , 为任 务设 置了 优 先 级 . 定义 空闲任务的优先级为 63, 任务优先级最高为 0. T FO S 的任务具有就绪态、 挂起态 和运行态 3 种状 态 , 关 系如图 3, 并设置了就绪队列 , 所有处于 就绪态的 任务按照 优 先级从高到低被存储于就绪队列中 .
2 并行数字信号处理系统
图 1( 见下页 ) 是并 行数 字信 号处 理系 统 的硬 件总 体 框 图 , 称为 T S201 并行系 统 . 系统 中的 D SP 芯片 采用的 是美 国 AD I公司的高性能数字信号 处理器 AD SP -T S201S, 它具有 很 强的数据处理能力和很高的运算速度 [ 7, 8] . 系统由主控板、 AD 板、 DA 板以 及 多块 D SP 板 组成 . 主 控板用做 C PC I总线 仲裁 器 , 用于 应用 程序 的编 码、 编 译、 链 接、 下载等功能 . AD 板、 DA 板 上各有 一片 A D SP -T S201S( 简 称 T S201), 并通过该 处理器及共 享的 CPC I 总线与 宿主机 进 行通信 . 每块 D SP 板上有 6 片 T S201, 每片 T S201称 为一个节 点, 采 用 松 耦 合 结 构 互 连, 不 共 总 线, 这 些 节 点 之 间 通 过 LI NK 口进行通信 , CPC I总线只能和一个节点交换数据 , 称 这 个节点为根节点 , 称其它节点为叶子节点 . A D板、 D A板和 D SP
D esign and Imp lem entation of a D istribu ted DSP R eal Tim e O perating System
SHU Hong-x ia , W AN G Ji hong
(W uhan D ig ita l En gin eering In stitu te, W uhan 430074 , Ch ina )
收稿日期 : 2009-04 -20 作者简介 : 舒红霞 , 女 , 1980年生 , 硕士 , 主要研究方向为 分布式实时 操作系统、 并行计算 ; 王 继红 , 男 , 1960年生 , 研 究员 , 主要研究方向为分布式实时操作系统、 并行处理系统软件开发环境 .
1408 板之间通过 T S201 的 L INK 口互连进行通信 .
1 引
言
有一个基于优先级的抢占式实时内核 , 并具有通信透明、 编程 方便、 应用程序容 易维护和升级等优点 , 其主要功能包括任 务 管理、 调 度管理、 中断管 理、 时 钟管理、 系统 路由管 理、 存储 管 理、 信号 量、 资源、 事件、 消息传 递等 . 并且 , T FO S 具 有通用 性 和可移 植性 , 它能很 容易地 移植到 不同的 D SP 并行系 统上 , 并且保证系统的实时性 .
摘 要 : 为了适应 D SP 应用的复杂性和多样性 , 缩短开发周期 , 针对多片 AD SP -T S201S D SP 构成的并行数字信号处理系统 , 从 任务管理 、 调度管理 、 中断 管理 、 时钟管理 、 系统 路由管理 、 存储管 理 、 信 号量 、 资源 、 事件 、 消息传递等 方面 , 自主研发 了分布 式 D SP 实时操作系统 , 简称 TFO S. 相关性能指标表明 , TFO S 完全可以满足用户需求及实时性要求 , 并具备可 移植性 , 能适用由 不 同 D SP 芯片组成的 D SP 并行系统 . 关 键 词 : 分布式 ; 实时操作系 统 ; 数字信号处理 ; 并行 ; AD SP-T S201S 中图分类号 : T P316 文 献标识码 : A 文 章 编 号 : 1000-1220( 2010) 07-1407-06
图 1 系统硬件总体框图 F ig . 1 O v erall b lo ck d iag ram o f sy stem hardw are 系统中 T S201 的内核时钟为 600M H z, 每个 L INK 口单方 向速率可高达 600M B / s , 每 个 L INK 口 组合起 来最 高吞吐 量 可达 1. 2GB / s , 因此 , D SP 之间可 以实现 低开销 的高 速传输 . 根据系统的应用 需求 和硬 件系 统特 点 , T FO S 具 有一 个单 处 理器操作系统内核 , 支持系统的分布式处理环境 , 支持传统实 时操作系统的多任务 管理机 制 , 支 持多处 理器上 任务的 同步 与互斥 , 并提供各处理器之间可靠、 高效的通信机制 . 图 3 任务状态转换图 F ig. 3 T a sk state transitio n d iag ra m 每个任务都有一个称 为任务 控制块 的结构 体 , 它 所含 内 容是对任务特性的精确 描述 , 在控制 处理任 务状态 中至关 重 要 . TFO S 的任务控制块结构如下 : ty pedef struct{ unsigned I D; / /任务 I D vo id* link; / /链表指针 int prio ; / /优先级 int suspend ; / /挂起标识 M sgQ ueue * m sgQ ue ; / /消息队列 unsigned* jsp; / /现场保护区位置指针 unsigned* ksp; / /现场保护区位置指针 } PC S; 由于 TFO S 是一个分布式操作系统 , 为了使信号 量、 资源 等具有分布式特征 , TFO S 均采 用面向 对象的 管理机制 , 将 任 务、 信号 量、 资源、 事件等均看成是一种对象 . 每种对象都拥 有 图 2 体系结构 F ig. 2 A rch itecture 最底层是硬件层 , 即数字信号处理器 D SP 层 . 在硬件层上面是 内核层 , 内核层 又分为 核心层 和系统 服 务层 . 其中 , 核心层包括系统必不可少的 与硬件相关的管理功 能 , 如任务管理、 调度 管理、 中断管 理、 时 钟管理、 系 统路由 管 理和系统初始化 . 在核心层上面是系统服务层 , 这一层提供了 操作系统的基本功 能 , 主 要包括 : 存 储管理、 信号 量、 资源、 事 件和消息传递 . 系统服务层独立于硬件系统 , 与硬件相关的操 作全部通过对核心层 的调用实现 . 最上层是用户层 , 即应用层 , 包括各种应用程序 . 3. 2 核心层 核心层与硬件系 统密切相关 , 在设计并 实现 TFO S 时 , 将 一个 32 位的 对象 I D, 由三部分组 成 : I D 的 高 16 位 确定对 象 所在节点 , 低 16 位中的高 8 位确定对象类型 , 低 16 位中的 低 8 位确定本节点中的同类对象 . 在任务控制块结 构体 PC S 中 , 通过任务 I D 可以将任务与 其他对 象如信 号量、 事件等 区分 ; 通过链表指针可以将任 务等对 象链接 ; 通过 优先级 使系统 具 有按优先级高低进行任 务调度 的功能 ; 通过 挂起标 识可以 记 录任务的状态 ; 通 过消息队列 可以实 现任务 到任务 之间的 直 接消息传递 ; 通过 现场保护区 位置指 针可以 找到任 务栈的 位 置 , 保存 或恢 复任 务 的现 场 , 实 现 任 务切 换 . 为了 充 分 利 用 T S201 的内部存储器资源 和总线 带宽 , 提 高操 作系统 内核 的 响应时间 , 采用了双堆栈技 术 , 即 给每个 任务分 配两个 堆栈 , 因此 , 这 里保存两个现场保护区位置指针 . 3 . 2. 2 调度管理 为了 保证系 统实 时性 , T FO S 采 用了 基于优 先级 的可 抢
