TMS320F28x上RTOS移植关键技术分析

TMS320F28x上RTOS移植关键技术分析

详细分析TI公司TMS320F28x系列DSP的启动过程；说明BootROM中程序的运行过程，介绍C编译器和DSP/BIOS的工作细节；探讨DSP的中断处理及从RAM中执行代码等问题。最后分析如何在TMS320F28x系列DSP上移植实时 *** 作系统。

关键词 数字信号处理器 TMS320F28x BootROM 实时 *** 作系统

　　TMS320F28x（简称“F28x”）数字信号处理器是TI公司推出的32位定点DSP控制器，其频率高达150 MHz，大大提高了控制系统的精度和芯片的处理能力。在F28x系列DSP上移植实时 *** 作系统，需要对编译器、系统启动过程、中断处理过程以及整体代码执行流程有一个全面的深入理解。对系统的整个运行过程有清晰的概念是移植实时 *** 作系统的前提条件。本文将对从DSP上电复位到其系统功能实现的整个运行过程进行深入介绍，并在此基础上进一步分析在F28x系列DSP上移植实时 *** 作系统一般原理，详细说明μC/OSⅡ的移植。

1  BootROM及其运行

　　在F281x、C281x、R281x器件中都有一块4K×16位的BootROM。当引脚MP/nMC的状态反映到XINTCNF2中为0时，BootROM被映射到地址空间0x3FF000～0x3FFFC0上。片上ROM在出厂前就已经烧写好了一个启动程序以及一些其他数据和表格(版本信息、复位向量、中断向量表、IQmath表等)。其空间分配如图1所示。

图1  片上BootROM分配

　　其中，中断向量表在VMAP=1、ENPIE=0（PIE未使能向量表）、MPNMC=0时有效。另外，当VMAP=1、ENPIE=0时，系统将从BootROM的0x3FFFC0复位。虽然复位后ENPIE为零，但大部分系统都是需要使能外部中断扩展模块的，即用户程序中需要将ENPIE置1。由此可见，BootROM唯一常用的向量只有复位向量；而其他的中断向量是指向M0SRAM用于芯片测试的，通常用不到。状态位和向量表映射关系如表1所列。

2  从上电复位到用户代码

　　当系统重启（上电或热启动）时，引脚XMPNMC的信号将被锁存到XINTF的配置寄存器XINTCNF2中。重启之后，XMPNMC的状态不再反映到XINTCNF2，这时，可以用软件来修改它的状态，从而确定程序要访问的是内部地址还是外部地址。但是，像F2810这样的器件，没有XINTF。它的XMPNMC在芯片内部被拉低，也就是说，当器件重启后，它总是自动从内部的BootROM启动。如果XMPNMC为高电平，则表示系统将从XINTF zone7中获取复位向量。即从外部获取中断向量（地址见表1）时，必须确保复位向量所指向正确的地址。这一般在希望自己编写启动程序时使用。本文对此不作具体讨论。

　　当XMPNMC为低电平时，系统从内部获取复位向量。这个复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函数。所以上电复位后，程序将跳转到InitBoot函数。

表1  状态位和向量表映射关系向量

表2  启动模式

　　不同的模式有不同的程序起点（entrypoint）。对于Flash、H0 SARAM、OTP模式，有一个固定的跳转地址（见表2）；而对于从SCI、SPI启动时，程序起点将调用bootloader按一定的格式（具体格式见参考文献[3]）从外部获取。

　　最后，BootROM执行exitboot函数。执行这个函数包括： 置CPU状态为缺省，将SP指向0x400，跳转到程序起点等工作。exitboot执行后CPU状态为：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。从entrypoint开始，就进入用户程序区了。对于汇编程序，可以在程序起点处写一条跳转到Start（如果程序起点是Start）的指令。汇编情况比较简单，跳转到Start后，各项初始化代码工作都由自己完成。对于C语言程序，通常的做法是在程序起点处放置一条跳转指令，转到_c_init0。然后程序的执行分为使用或不使用BIOS两种情况。

　　从rts.src中提取boot28.inc文件，其中包括对于不使用BIOS的情况下，启动后从_c_init0到main函数中间所做的工作。因为这段代码是由C编译器自动运行的，因而常被初学者忽视，以致对其后自己编写的C代码的运行环境不清楚。这一段程序主要完成以下工作：

　　◇ 分配C堆栈；
　　◇ 建立C运行环境（CPU寄存器和模式寄存器的配置）；
　　◇ 复制cinit、pinit表、.const、.econst常量到工作区；
　　◇ 跳转到main函数。

　　这段代码声明了2个全局变量：__stack，系统堆栈栈底；_c_int00，启动函数。下面列出了C运行环境的初始化程序部分代码：

　　C28OBJ；选择C28x对象模式
　　C28ADDR；清除地址模式位
　　C28MAP；设置M0M1模式
　　CLRCPAGE0；使用堆栈寻址模式
　　MOVWDP,#0；初始化DP指向低64K地址
　　CLRCOVM；关闭溢出模式
　　ASP；确保SP对齐

　　这些代码设置了C语言的运行环境。在用户程序中编写的汇编代码不应该破坏这个环境，否则C语言将无法正常运行。

3  中断代码的执行

　　F28x系列的DSP支持1个不可屏蔽中断(NMI)和16个可屏蔽中断（INT1～INT14、RTOSINT、DLOGINT）。其中,INT1~INT12由PIE控制单元管理。每个INT可以对应8个外设中断，即PIE可以控制96个中断源。

　　下面对可屏蔽中断响应过程作一介绍：

　　①  外设发出中断请求。
　　②  DSP看中断请求是否被允许。设计PIEIER、PIEACK、IER、INTM等寄存器和标志位的设置，具体参见参考文献[4]。
　　③  如果中断允许，则先执行完进入解码的二阶段之后的指令，将其他指令冲出流水线。系统将自动保存ST0、T、AL、AH、PL、PH、AR0、AR1、DP、ST1、DBGSTAT、PC、IER，然后获取中断向量，加载到PC。

　　注意: 当中断被允许后会立即清除IFR中相应标志位；但是，如果此时中断信号仍有效（保持低电平），那么，相应IFR标志位又会被置位（不过这时此中断不会被立即响应）。这是因为CPU禁止了所有的硬件中断响应，当ISR开始执行时，它才解除禁止；并且，在执行ISR之前（此时原来的IER已保存），当前中断的IER中相应位被清零。也就是说，同一中断源的中断不会再被响应，要等到中断服务子程序中用户来使能中断（如果需要嵌套），或者等到中断返回自动恢复IER。

　　④  执行中断服务子程序。

　　由于置位了INTM、DBGM，所以可屏蔽中断默认是不被允许的。如果要嵌套，则需程序员自己动手清除禁止中断标志。另外，中断里面LOOP、EALLOW、IDLESTAT都被清零了，这样中断服务子程序有了一个全新的上下文。

4  从RAM中执行代码

　　通常情况下，程序是保存在Flash里面的，CPU从Flash中取指运行；但是，有时会要求将程序调到RAM中来执行。一方面是为追求更高的速度；另一方面是为了让Flash有最好的运行性能，需要修改Flash的等待状态周期，使能Flash Pipeline，而对Flash的 *** 作必须在RAM里面执行，这些 *** 作函数就必然要从Flash中调到RAM中执行。对于这些程序，在启动后用户程序中需要先完成存储器拷贝工作。拷贝到RAM中之后，才能调用这些函数，顺序不能乱。

5  在DSP上移植实时 *** 作系统

　　所谓移植，就是使一个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行。在移植软件之前，先要正确配置处理器的运行模式，了解处理器的中断方式、中断向量地址等。这些工作在F28x系列DSP中由BootROM中固化的程序完成。另外，为了方便移植，大部分的RTOS代码都是用C语言写的；但仍需要用C语言和汇编语言混合编写一些与处理器相关的代码。这是因为在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现。

　　对于同时使用汇编语言和C语言的实时 *** 作系统移植，必须小心使用汇编语言，防止破坏C语言运行环境。一方面不可以改变相关状态位；另一方面汇编函数的编写需要遵循C编译器的调用规则。从复位到用户程序编译器做的设置工作见前文。

　　中断发生时，TMS320LF28x处理器自动保存了不少寄存器，但是如果中断服务子程序中要用其他寄存器，那么开始时要自己写现场保护程序。就实时 *** 作系统而言，进入中断和退出中断须对系统堆栈进行现场保护。维护堆栈结构时，需要注意处理器堆栈的生长方向。虽然绝大多数微处理器和微控制器的堆栈是从上往下长的，但TI公司的DSP一般为从下往上长。

　　一般实时 *** 作系统需要先禁止中断再访问代码的临界段，并且在访问完毕后重新允许中断。这就使得系统能够保护临界段代码免受多任务或中断服务例程(ISRs)的破坏。最简单的实现方法是直接调用处理器指令来禁止中断和允许中断。

　　笔者选择了目前应用比较广泛的实时 *** 作系统μC/OS-Ⅱ。要移植μC/OS-Ⅱ需要满足以下要求：

　　◇ 处理器的C编译器能产生可重入代码；
　　◇ 用C语言就可以打开和关闭中断；
　　◇ 处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在10～100 Hz之间)；
　　◇ 处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几千字节)的硬件堆栈；
　　◇ 处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。移植工作包括以下几个内容：
　　◇ 用#define设置一个常量的值(OS_CPU.H)；
　　◇ 声明10个数据类型(OS_CPU.H)；
　　◇ 用#define声明3个宏(OS_CPU.H)；
　　◇ 用C语言编写6个简单的函数(OS_CPU_C.C)；
　　◇ 编写4个汇编语言函数(OS_CPU_A.ASM)。

　　移植的难点在于实现OS_CPU_A.ASM。这个文件的实现需要十分清楚处理器启动过程和中断处理，以及代码的运行过程。由于TI公司的DSP堆栈从下往上长，所以移植时需要置OS_STK_GROWTH为0。可以简单地使用TIMS320LF28x的中断使能和禁止命令来实现OS_ENTER_CRITICAL()、OS_EXIT_CRITICAL()两个宏。

　　以下是移植时OS_CPU_A.ASM文件里任务切换的代码。任务切换时，须时刻注意自己设计的堆栈结构。

_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

结语

　　本文详细说明了从上电复位开始，DSP中程序运行的过程；分析了固化在片上ROM的程序以及由编译器自动生成的程序。另外，通过对DSP/BIOS启动、中断执行、从RAM中执行代码等问题的探讨，了解DSP的运行机制，掌握移植实时 *** 作系统的关键技术知识。笔者成功地将实时 *** 作系统μC/OS-Ⅱ移植到了TMS320LF2812数字信号处理器上。