应对无线多媒体挑战

当今的消费类设备（手机、PDA和个人娱乐设备）用多模通信整合音频、视频以及静止图像。每种应用都要求尺寸小、电池寿命长且消费者能买得起。此外，当标准改变时，这些应用还应能提供不断涌现的新功能，适应标准的更新。
这样的应用要求对驱动装置的基本处理器施加了极大的压力。为了实时地处理视频，它们要在极高的钟速率下工作，一个要竭力达到高功率效率以延长电池寿命的功能。同样，硅器件要小巧价廉来保护大量的资金投入，使终端产品具有价格上的竞争优势。再者，为了适应快速多变的多媒体标准，它们还需是软件可编程的。
鉴于上述情况，本文主要介绍最近出现的融合解决方案，以便更好地满足当前应用的设计要求。

当前的解决方案：融合处理器
在很多无线应用中，一种较佳的解决方案是在单个集成核心芯片中融合双RISC和DSP的性能优势和独特功能。这一方案极大地降低了成本和常规双处理器设计所带来的复杂性。
融合处理器将MCU和DSP功能集成在统一的体系结构中，能灵活地分配控制与信号处理的功能需求，即根据应用要求，它既能百分之百用作MCU（以与行业标准相符的代码密度），或百分之百地用作DSP （DSP领先的时钟速率），或两者之间的某种组合。
现有的处理器，诸如ADI的Blackfill(见图1),Starcore的SC1000/2000以及freescale 的MSC81XX都是有代表性的融合处理器，其中CPU显示出DSP和RISC两种处理器的主要特性。其它的同类产品还有：ARMII freesclae DSP56800E、Renesas SH3-DSP 和Infineon Tricore 设计。这些器件都是为了满足集成系统的高要求研发的，特别是组合了操作者接口/GUI、音/视频处理、无线连接和潜在的流数据输入的手持设备。
除了显而易见的移动消费电子应用，这类设计也可用于采用Wi-Fi分布技术的保安摄像系统和厂房控制系统以及众多远程通信应用：如VoIP,让该功能集成在更接近于网络边的设备中。遗憾的是，迄今还未恰当地解决好下一代器件亟需的专用软件。

图1 单核心BF533嵌入式媒体处理器方框图

单堆栈设计
虽然处理器体系结构在不断创新，然而在过去几年里，构建在这一体系结构上用来支持应用的RTOS（实时操作系统）没有多大改变，融合处理器具有高度专用实时问题，因为它集中地体现了在单个融合器件上控制（RISC/MCU）功能和DSP功能的激烈冲突。设计人员面临的最现实和最紧迫的任务就是选择那一种RTOS。
为了在信号处理流上获得最高效率，开发人员可选择单堆栈RTOS，这是专门供DSP和数据流执行的。在过去，多数开发人中简单地自己编写能快速、及时响应流媒体或信号处理一类数据流要求的单堆栈RTOS。一款优秀单堆栈RTOS的标志是：坚固、高效、占用空间少（2~10KB之间）。
近年来，应用开发人员更倾向于购买有附加功能、能尽快上市的单堆栈RTOS。某些供应商亦已研发了这类单堆栈执行程序。例如，考察一个RTXC单堆栈执行程序（RTXC/SS），它是围绕这类环境使用的协同调度表构建的，它有3类代码实体：线程（轻便的专用任务）、中断服务程序和内核服务程序。线程数据、中断内容和其它变量全部存放在一个公共的堆栈中。该调度表赋予处理器控制线程来响应其它线程的请求，或通过内核服务程序执行中断服务例行程序。
一个RTXC/SS线程是按C函数编程的，但实体中不设上下文关系，当它将处理器控制返还给调度表时也不存放任何参数。不设上下文关系使从进度表至线程这一过程十分迅速，具备在要求的操作期限内完成响应的明显优点。在线程的执行周期内，它不能直接等待一个系统事件。不设上下文关系和不能被阻断是区别线程和任务的两个主要属性。
由于线程没有上下文关系，必须在它实体内完成所需全部数据的初始化。当操作后，线程返回调度表不带返回，也不在堆栈中留下任何运算数据。
线程存在于用户定义的优先级内。用户可以定义多个优先级，较高优先级的线程能抢占在较低优先级执行的线程。要是处于同一优先级，那么就不能抢占正在执行的线程，在调度表准予它控制处理器前只能等待当前的线程完成执行周期。
RTOS工具的基本特性是如何管理堆栈，这是它的传统。RISC RTOS 通常支持多个堆栈（OS1个，每个任务各1个，管理程序和用户堆栈）、而DSP RTOS 只管理单个堆栈。这是由于DSP系统中任务/线程的数量少且同步事项相对简单，因而单堆栈实现是最高效率的，也是相对安全的。

多堆栈实现
与单堆栈RTOS不同，控制RTOS使用多堆栈，这样可为大量的任务提供分离和控制。由于堆栈必须在上下关系切换时间或发生中断时交换，因此它的效率不高。然而，堆栈在一个特定任务内多少有点独立的，与RTOS保持分离，即便是某些任务失败时也还要继续进行下去。
这类RTOS涉及更多的设计复杂性，应用开发人员通常自己不编写，而是倾向于购买现成的多堆栈RTOS。由于市场需求量大，很多RTOS供应商，包括Wind River、Enea、 Green Hills、Quadros等都提供多驱动、多堆栈RTOS。
多堆栈内核程序（图2）既是传统的，又是灵活的一种多任务内核体系结构，旨在下列应用中使用：通信、汽车、过程控制以及仪表系统。
这种体系结构对需要快速中断响应时间和在任务间快速而又确定的切换的系统是十分理想的。每个任务都有自己的堆栈，让它与系统事件同步；它清空系统堆栈，供处理内核服务程序以及中断服务例行程序使用。
每个堆栈都具有自己的优先权，缺省的任务调度策略是根据优先权来抢先的。多堆栈调度表将处理器控制权指定给准备运行的最高优先权任务。当较高优先权任务准备运行而低优先权任务控制着处理器时，调度表会抢占低优先权任务，将处理器控制权授予较高优先权任务中的一个。除了抢先调度安排，对同等优先权任务，内核程序还支持循环配置和时间分片调度。某些堆栈RTOS允许使用有别于时间的其它变量，让时间分片成为制约任务执行持续时间的通用解决方案。
在很多多堆栈环境中，除了任务还有3种附加代码实体：内核服务API、内核服务程序以及中断服务例行程序。任务和中断服务例行程序执行应用要求的操作，并通过它们相关联的API功能调用内核服务程序来影响系统的行为。
多堆栈内核程序支持内核目标代码的类别，而内核服务程序支持这些目标代码。设置目标代码是为：任务同步、传送数据、管理事件与计数器、报警、管理内存以及专用实体访问。凭借系统设计知识，系统开发人员可用实用程序来选择目标代码类别以及它们的属性，以便调整代码的大小和满足应用要求最佳配置的内核特性。多堆栈内核程序的规模是随它最初定位的应用而变化的，通常RTXC多堆栈RTOS在4.5KB与20KB这间，这取决于处理器和编释器的效率。

图2 典型的多堆栈RTOS体系结构

图3 RTXC/dm 双模RTOS

开发的双重任务
通常MCU和DSP软件开发组是两个独立的设计组，每个设计组可自由地选择自己的RTOS和开发工具，并启用从自己选择供应商处提供的软件堆栈。然而，开发组现在面对融合处理技术，事实上是同一个处理器。
为了更好地阐明这一问题，我们更详尽地考虑每个处理器模型的RTOS要求。DSP具有数据流特性，一个过程连续地对一组数组执行某个算法，同时产生另一组数组，并将它传递给序列中另一级。DSP处理过程常常涉及有严格采样和处理要求的高频I/O，因而RTOS以最小等待时间来响应中断是至关重要的。
理想地，RTOS在DSP过程的执行周期间保存和恢复最少量内容，以及在过程调度表和内核服务程序两者中提供最低开销。实时或控制过程则能随时中止或等待同步事件的发生。为了支持这类要求，控制应用常使用多任务RTOS,，其中的调度表来确定那一个任务取得RTOS，其中的调度表来确定哪一个任务取得CPU的控制权。一旦过程发生变化，RTOS必须保存和恢复过程的内容，这一操作会涉及传送大量字节并耗费众多处理周期。这类操作让处理器有可能根据系统的动态来中止或启动某个过程，虽然这一特性控制过程是十分理想的，但对DSP并不需要。
对这类新型的融合处理体系结构，最重要的是开发人员并行地管理高数据率、面向数组的处理过程和事件驱动的控制过程，且具有使用与专用 的MCU或DSP同样高的效率。在这样模式中，理想的RTOS在某些时刻像低开销，轻便的DSP；而在其它时刻又像复杂的多任务RTOS。
为了让融合处理更有效，RTOS应工作在混合模式或双模模式。双模RTOS用公共API将实时控制过程用的传统任务基内核体系结构和DSP与数据流用专用单堆栈执行方式有机地组合在一起。这种统一的RTOS解决方案有可能让两类应用代码充分地优化在单个处理器上执行。在双模RTOS中，为开发人员充分地提供了内核功能以及单堆栈与多堆栈服务程序的全部功能，并用配置工具进行调整来符合应用的要求。图3是双模RTOS的实例。

用优先法管理线程和任务
既然两种处理模型能成功地共存在单内核体系结构中，双模RTOS使用3个独立的优先区（参见图2）。中断服务占据最高优先权（1区），即优先于其它区中的所有的操作。2区是中等优先权，是给单堆栈数据流操作保留的，包括所有的线程操作和多堆栈组件的内核操作。3区则用来处理其余所有的任务操作以及系统初始化与调用供内核服务程序用的API库，在1区和2区没有操作时才执行3区操作。
在这一模型中，执行线程的数据流应用总是有比控制面任务更高的优先权。也就是说，语音和频视处理一类数据流程操作，若按线程组织的话，可抢占任何任务，在返回至被抢占任务前完成操作。任务基操作在2区操作之间中取得处理器的控制权。在RTXC/dm内核中，线程与任务共存，因而任务可启动线程。由于2区的优先权高于3区，所以任务启动的线程拥有绝对抢先权。

结语
融合处理体系结构整合了微控制器功能和信号处理功能，标志着硅器件生产厂家目前的最高水平。与此同时，新体系结构迫切需要新一代实时操作系统，以便实现能充分发挥较高级处理能力的应用。双模RTOS将等待时间协同调度表和优先化的、能抢占的、事件驱动调度表有机地组合在统一的、集成的实时操作系统中。它也能提供多任务与单核心两种内核的全部芯心功能。这样，可以让各类开发人员在一个自己熟悉的、轻松的环境中得心应手地编写符合应用的要求的程序代码。■（东华）