基于uC/OS-II的低速率語音編碼器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)字信號(hào)處理芯片應(yīng)用于各行各業(yè)。但是，以往多數(shù)的DSP 系統(tǒng)是基于流程圖的設(shè)計(jì)方法，該方法設(shè)計(jì)的程序穩(wěn)定性不高，流程中任意一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)都將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰甚至死機(jī)。使用RTOS將對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的改善。使應(yīng)用模塊化，可極大提高程序的可讀性、可擴(kuò)展性和可移植性。
TI公司的定點(diǎn)DSP處理芯片TMS320C54X是目前應(yīng)用比較廣泛的一種DSP芯片，具有功耗低、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，適合低速率語音編碼的應(yīng)用。
uC/OS-II是一種免費(fèi)應(yīng)且源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，經(jīng)過多年的實(shí)際應(yīng)用，顯示出強(qiáng)大的功能和巨大的商業(yè)價(jià)值。本文實(shí)現(xiàn)了uC/OS-II在TMS320C54X上的移植，并提出了在uC/OS-II的平臺(tái)上的低速率語音編碼器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

uC/OS-II在TMS320C54X上的移植
要實(shí)現(xiàn)uC/OS-II的移植，主要改寫以下三個(gè)文件
OS_CPU.H文件
包括定義數(shù)據(jù)類型、代碼值界區(qū)的中斷控制、堆棧增長(zhǎng)方向變量、任務(wù)切換函數(shù)定義和變量聲明。TMS320C54X中的堆棧數(shù)據(jù)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(jìn)入系統(tǒng)臨界區(qū)之前必須關(guān)閉中斷，退出臨界區(qū)后再打開中斷。uC/OS-II定義了兩個(gè)宏來關(guān)閉/打開中斷：OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()。
用OS_STK_GROWTH來設(shè)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(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。OS_TASK_SW()函數(shù)模擬一次中斷過程，在中斷返回時(shí)進(jìn)行任務(wù)切換。
另外，還聲明了一個(gè)8位變量，用來調(diào)用DOS的時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)，在TMS320C54X中應(yīng)該屏蔽掉。
OS_CPU_A.ASM文件
在此文件中，需改寫函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()。
OSStartHighRdy (0)函數(shù)由Sstart()函數(shù)調(diào)用，功能是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)。其過程為：獲得優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)的TCB地址→設(shè)置堆棧指針→恢復(fù)任務(wù)環(huán)境→中斷返回→運(yùn)行新任務(wù)。在TMS320C54X中實(shí)現(xiàn)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(shù)是一個(gè)任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)。軟中斷向量指向此函數(shù)。在uC/OS-II中，如果任務(wù)調(diào)用了某個(gè)函數(shù)，而該函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果可能造成系統(tǒng)任務(wù)的重新調(diào)度，則在函數(shù)的末尾會(huì)調(diào)用OSSched()。OSSched()查找當(dāng)前就緒最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，如果不是當(dāng)前任務(wù)，則找到該任務(wù)TCB的地址，并拷貝到變量OSTCBHighRdy中，然后通過宏OS_TASK_SW()執(zhí)行軟中斷調(diào)用OSCtxSw()進(jìn)行任務(wù)切換。變量 OSTCBCur始終包含指向當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)TCB的指針。在TMS320C54X中實(shí)現(xiàn)如程序列表2。
OSIntCtxSw()函數(shù)與 OSCtxSw()函數(shù)類似，不同的是，OSIntCtxSw()函數(shù)進(jìn)行中斷級(jí)任務(wù)切換。中斷可能引起任務(wù)切換，在中斷服務(wù)程序的最后會(huì)調(diào)用 OSIntExit()函數(shù)檢查任務(wù)就緒狀態(tài)，如果需要進(jìn)行任務(wù)切換，則調(diào)用OSIntCtxSw()。值得注意的是，產(chǎn)生中斷后，CPU寄存器會(huì)自動(dòng)被保存，所以，在此函數(shù)中不再進(jìn)行環(huán)境保存。在TMS320C54X中實(shí)現(xiàn)如程序列表3。
OS_CPU_C.C文件
在此文件中，只需修改 OSTaskStkInit()函數(shù)。OSTaskStkInit()由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt() 調(diào)用，用來初始化任務(wù)的堆棧。OSTaskStkInit()與調(diào)用它的函數(shù)有三個(gè)參數(shù)進(jìn)行傳遞：任務(wù)代碼起始地址(task)，參數(shù)指針 (pdata)，任務(wù)堆棧頂?shù)刂?ptos)。為提高代碼效率，此函數(shù)用匯編語言改寫，在TMS320C54X中實(shí)現(xiàn)如程序列表4。(程序列表1~4，均見本刊網(wǎng)站 http://www.eaw.com.cn)

基于uC/OS-II的低速率語音編碼器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)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(shù)字接口等。另外，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了空閑任務(wù)和監(jiān)視任務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)由里向外分為三層：操作系統(tǒng)層、任務(wù)層、硬件層。

硬件層設(shè)計(jì)
硬件層設(shè)計(jì)主要包括串口和HPI口，用于接收(發(fā)送)語音信號(hào)和信道上的數(shù)據(jù)。

任務(wù)層設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中共有七個(gè)任務(wù)，其優(yōu)先級(jí)從高到低依次為：監(jiān)控任務(wù)、模擬接口任務(wù)、數(shù)字接口任務(wù)、回波抵消任務(wù)、編碼任務(wù)、解碼任務(wù)、Idle任務(wù)。各任務(wù)的狀態(tài)有4種，即等待態(tài)和掛起態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)以及中斷態(tài)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。
監(jiān)視任務(wù)設(shè)計(jì)思路為：被監(jiān)視任務(wù)正常運(yùn)行時(shí)其執(zhí)行時(shí)間是可預(yù)估的，被監(jiān)視任務(wù)在其即將運(yùn)行完畢時(shí)向監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息說明自身運(yùn)行正常。被監(jiān)視任務(wù)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)視任務(wù)處于等待態(tài)，等待被監(jiān)視任務(wù)給它發(fā)送消息，等待時(shí)間被設(shè)定為預(yù)計(jì)的任務(wù)正常運(yùn)行所需的最大時(shí)間。若等待時(shí)間內(nèi)監(jiān)視任務(wù)收到消息，則認(rèn)為發(fā)送消息的任務(wù)運(yùn)行正常，依照各任務(wù)執(zhí)行順序的先后下一任務(wù)開始運(yùn)行，監(jiān)視任務(wù)等待下一任務(wù)發(fā)送的消息。若等待時(shí)間已過，監(jiān)視任務(wù)仍未收到消息，則系統(tǒng)的時(shí)間管理函數(shù)將強(qiáng)行把監(jiān)視任務(wù)視為就緒態(tài)。因監(jiān)視任務(wù)的優(yōu)先權(quán)是最高的，它將搶占對(duì)CPU的控制權(quán)并采取相應(yīng)的糾錯(cuò)方案。

操作系統(tǒng)層設(shè)計(jì)
在應(yīng)用中，各個(gè)任務(wù)之間都有數(shù)據(jù)要交換，本設(shè)計(jì)中采用消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信。編碼任務(wù)需要模擬接口任務(wù)發(fā)送的消息，以接收用于編碼的語音數(shù)據(jù)；數(shù)字接口任務(wù)需要編碼任務(wù)發(fā)送的消息，以接收用于發(fā)往信道的編碼數(shù)據(jù)；解碼任務(wù)需要數(shù)字接口任務(wù)發(fā)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(wù)需要解碼任務(wù)發(fā)來的消息，以接收用于D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字語音信號(hào)。回波抵消任務(wù)需要等待的消息來自模擬接口任務(wù)和解碼任務(wù)。監(jiān)控任務(wù)接收所有其任務(wù)發(fā)來的消息，確認(rèn)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。
在運(yùn)行過程中，操作系統(tǒng)對(duì)各任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。其動(dòng)作為：
系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，建立所有的任務(wù)，除回波抵消任務(wù)外，都處于就緒態(tài)；
此時(shí)，監(jiān)控任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，查詢消息隊(duì)列，沒有消息的到來，轉(zhuǎn)為等待態(tài)；
模擬接口任務(wù)運(yùn)行，接收/發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)數(shù)據(jù)給回波抵消任務(wù)，并使回波抵消任務(wù)處于就緒態(tài)；如條件達(dá)到(如幀數(shù)已夠)，向編碼任務(wù)發(fā)消息，傳送數(shù)據(jù)，運(yùn)行完畢，自行進(jìn)入掛起態(tài)，等待下一次串口中斷將其轉(zhuǎn)為就緒態(tài)；
數(shù)字接口任務(wù)運(yùn)行，接收/發(fā)送數(shù)據(jù)，如條件達(dá)到(如編碼字?jǐn)?shù)夠)，向解碼任務(wù)發(fā)消息，傳送數(shù)據(jù)，運(yùn)行完畢，自行進(jìn)入掛起態(tài)，等待下一次串口中斷(或HPI中斷)將其轉(zhuǎn)為就緒態(tài)；
如消息足夠，回波抵消任務(wù)運(yùn)行，運(yùn)行完畢，自行處于掛起態(tài)；
編碼任務(wù)運(yùn)行，如有模擬接口任務(wù)發(fā)來的消息，則運(yùn)行，編碼完畢，向數(shù)字接口發(fā)消息；否則，處于等待態(tài)；
解碼任務(wù)運(yùn)行，如有數(shù)字接口任務(wù)發(fā)來的消息，則運(yùn)行，解碼完畢，向模擬接口任務(wù)和回波抵消任務(wù)發(fā)消息；否則，處于等待態(tài)；
在所有任務(wù)都執(zhí)行完畢后，Idle任務(wù)運(yùn)行。
由于所有的任務(wù)都有嚴(yán)格的執(zhí)行時(shí)間限制，因此，上述的任務(wù)流程在正常情況下可以順利進(jìn)行。否則，監(jiān)控任務(wù)會(huì)重啟系統(tǒng)。

結(jié)語
本文在TMS320C54X的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)uC/OS-II，并針對(duì)傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的低速率語音編碼器穩(wěn)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(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。由于低速率語音編碼器通常是單片的，內(nèi)部任務(wù)相對(duì)較少。使用實(shí)時(shí)內(nèi)核來管理這些任務(wù)，會(huì)增加系統(tǒng)的內(nèi)存和CPU時(shí)間的消耗，而任務(wù)調(diào)度的優(yōu)勢(shì)不能很好地顯示出來，該設(shè)計(jì)有一定局限性。但是，在系統(tǒng)的內(nèi)存足夠大、CPU運(yùn)行速度足夠快的情況下，使用實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)低速率語音編碼器，有利于系統(tǒng)的后繼開發(fā)。

參考文獻(xiàn)
1 Jean J.Labrosse. uC/OS-II-源碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[M]，邵貝貝 譯. 中國(guó)電力出版社，2001
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