引言
隨著數字信號處理技術的發展，越來越多的數字信號處理芯片應用于各行各業。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，流程中任意一個環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、運行速度快等優點，適合低速率語音編碼的應用。
uC/OS-II是一種免費應且源代碼公開的實時內核，經過多年的實際應用，顯示出強大的功能和巨大的商業價值。本文實現了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音編碼器的系統設計方案。
uC/OS-II在TMS320C54X上的移植
要實現uC/OS-II的移植，主要改寫以下三個文件
OS_CPU.H文件
包括定義數據類型、代碼值界區的中斷控制、堆棧增長方向變量、任務切換函數定義和變量聲明。TMS320C54X中的堆棧數據類型為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在進入系統臨界區之前必須關閉中斷，退出臨界區后再打開中斷。uC/OS-II定義了兩個宏來關閉/打開中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。
用OS_STK_GROWTH來設置，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()用來實現任務切換。OS_TASK_SW()函數模擬一次中斷過程，在中斷返回時進行任務切換。
另外，還聲明了一個8位變量，用來調用DOS的時鐘節拍函數，在TMS320C54X中應該屏蔽掉。
OS_CPU_A.ASM文件
在此文件中，需改寫函數：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()。
OSStartHighRdy (0)函數由Sstart()函數調用，功能是運行優先級最高的就緒任務。其過程為：獲得優先級最高任務的TCB地址→設置堆棧指針→恢復任務環境→中斷返回→運行新任務。在TMS320C54X中實現如程序列表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()函數是一個任務級的任務切換函數。軟中斷向量指向此函數。在uC/OS-II中，如果任務調用了某個函數，而該函數的執行結果可能造成系統任務的重新調度，則在函數的末尾會調用OSSched()。OSSched()查找當前就緒最高優先級任務，如果不是當前任務，則找到該任務TCB的地址，并拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過宏OS_TASK_SW()執行軟中斷調用OSCtxSw()進行任務切換。變量 OSTCBCur始終包含指向當前運行任務TCB的指針。在TMS320C54X中實現如程序列表2。
OSIntCtxSw()函數與 OSCtxSw()函數類似，不同的是，OSIntCtxSw()函數進行中斷級任務切換。中斷可能引起任務切換，在中斷服務程序的最后會調用 OSIntExit()函數檢查任務就緒狀態，如果需要進行任務切換，則調用OSIntCtxSw()。值得注意的是，產生中斷后，CPU寄存器會自動被保存，所以，在此函數中不再進行環境保存。在TMS320C54X中實現如程序列表3。
OS_CPU_C.C文件
在此文件中，只需修改 OSTaskStkInit()函數。OSTaskStkInit()由任務創建函數OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt() 調用，用來初始化任務的堆棧。OSTaskStkInit()與調用它的函數有三個參數進行傳遞：任務代碼起始地址(task)，參數指針 (pdata)，任務堆棧頂地址(ptos)。為提高代碼效率，此函數用匯編語言改寫，在TMS320C54X中實現如程序列表4。(程序列表1~4，均見本刊網站 http://www.eaw.com.cn)
基于uC/OS-II的低速率語音編碼器系統設計
本系統中，低速率語音編碼器的功能有語音編碼、語音解碼、回波抵消、模擬接口、數字接口等。另外，為提高系統的穩定性，增加了空閑任務和監視任務。系統結構如圖1所示。
圖1 系統結構圖
系統由里向外分為三層：操作系統層、任務層、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(發送)語音信號和信道上的數據。
任務層設計
本系統中共有七個任務，其優先級從高到低依次為：監控任務、模擬接口任務、數字接口任務、回波抵消任務、編碼任務、解碼任務、Idle任務。各任務的狀態有4種，即等待態和掛起態、就緒態、運行態以及中斷態，狀態的轉換關系如圖2所示。
圖2 任務狀態轉移圖
監視任務設計思路為：被監視任務正常運行時其執行時間是可預估的，被監視任務在其即將運行完畢時向監視任務發送消息說明自身運行正常。被監視任務運行時，監視任務處于等待態，等待被監視任務給它發送消息，等待時間被設定為預計的任務正常運行所需的最大時間。若等待時間內監視任務收到消息，則認為發送消息的任務運行正常，依照各任務執行順序的先后下一任務開始運行，監視任務等待下一任務發送的消息。若等待時間已過，監視任務仍未收到消息，則系統的時間管理函數將強行把監視任務視為就緒態。因監視任務的優先權是最高的，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，各個任務之間都有數據要交換，本設計中采用消息機制實現任務間通信。編碼任務需要模擬接口任務發送的消息，以接收用于編碼的語音數據；數字接口任務需要編碼任務發送的消息，以接收用于發往信道的編碼數據；解碼任務需要數字接口任務發來的消息，以接收來自信道的用于解碼的解碼字；模擬接口任務需要解碼任務發來的消息，以接收用于D/A轉換的數字語音信號。回波抵消任務需要等待的消息來自模擬接口任務和解碼任務。監控任務接收所有其任務發來的消息，確認系統是否正常運行。
在運行過程中，操作系統對各任務進行調度。其動作為：
系統啟動時，建立所有的任務，除回波抵消任務外，都處于就緒態；
此時，監控任務優先級最高，查詢消息隊列，沒有消息的到來，轉為等待態；
模擬接口任務運行，接收/發送數據，發數據給回波抵消任務，并使回波抵消任務處于就緒態；如條件達到(如幀數已夠)，向編碼任務發消息，傳送數據，運行完畢，自行進入掛起態，等待下一次串口中斷將其轉為就緒態；
數字接口任務運行，接收/發送數據，如條件達到(如編碼字數夠)，向解碼任務發消息，傳送數據，運行完畢，自行進入掛起態，等待下一次串口中斷(或HPI中斷)將其轉為就緒態；
如消息足夠，回波抵消任務運行，運行完畢，自行處于掛起態；
編碼任務運行，如有模擬接口任務發來的消息，則運行，編碼完畢，向數字接口發消息；否則，處于等待態；
解碼任務運行，如有數字接口任務發來的消息，則運行，解碼完畢，向模擬接口任務和回波抵消任務發消息；否則，處于等待態；
在所有任務都執行完畢后，Idle任務運行。
由于所有的任務都有嚴格的執行時間限制，因此，上述的任務流程在正常情況下可以順利進行。否則，監控任務會重啟系統。
結語
本文在TMS320C54X的硬件平臺上實現uC/OS-II，并針對傳統的系統設計方法設計的低速率語音編碼器穩定性不佳的問題，提出了基于uC/OS-II的低速率語音編碼器系統設計的方案。由于低速率語音編碼器通常是單片的，內部任務相對較少。使用實時內核來管理這些任務，會增加系統的內存和CPU時間的消耗，而任務調度的優勢不能很好地顯示出來，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，使用實時內核設計低速率語音編碼器，有利于系統的后繼開發。
參考文獻
1 Jean J.Labrosse. uC/OS-II-源碼公開的實時嵌入式操作系統[M]，邵貝貝 譯. 中國電力出版社，2001
2 張雄偉.DSP芯片的原理與開發應用[M]. 電子工業出版社，2000