实时操作系统在雷达信号处理中的应用

随着DSP（数字信号处理器）性能的改进，应用范围的扩大，特别是在消费类电子产品的应用日益增加，DSP除了继续承担传统的算法处理核心的角色之外，还需要完成一些控制性的或事务性的工作，而这些工作以前往往是由控制能力、线程管理能力更强的MCU或CPU来完成。嵌入式实时操作系统的应用解决了DSP系统开发中的2个重要的问题：一是可以保证系统响应的实时性，二是使复杂的多线程多任务的软件系统的开发变得相对简单易行。

　　DSP平台的信号处理机一般只是整个系统的一个专用于信号处理算法的子部分，不需要控制太多的外设，而且为了满足实时信号处理，尽量采用前后台式的线性程序结构。

　　本设计的信号处理机是希望以他为主体构成一个完整的便携式雷达系统，除了信号处理的任务之外，采样、显示、通信等多种任务也必须由他来完成，需要满足实时多任务的要求，所以必须使用嵌入式实时操作系统。本文主要介绍了为什么使用实时操作系统以及基于DSP／BIOSⅡ实时操作系统的总体软件设计思想和方案。

　　1、总体硬件方案设计

　　本信号处理机以TMS320C5509作为整个系统的核心，由于考虑到图像的缓存需要较大的存储空间，所以扩展了三星公司的16 Mb的SDRAM——KM416S1020C作 为扩展存储器。整个系统的工作流程是由控制器和D／A提供给前端采样头所需的信号，并启动A／D对采样头传来的模拟信号进行采样，DSP接收之后做相应的信号处理，根据键盘的设定将图像按照一定的要求显示到彩色图形液晶上，并通过USB接口将数据传送到PC机存储以便做进一步的处理和显示。总体硬件框图如图1所示。

　　TMS320C5509数字信号处理器是德州仪器公司（TI）TMS320C5000系列中新推出的一种，极大降低了功耗，达到了每个MIPS只需0．05 mW的水平，与市场上的主流产品TMS320C54x相比，功耗降低了6倍。TMS320C5509的内核是从TMS320C54x上发展而来的，所以可以完全兼容现在市场主流的TMS320C54x系列处理器的指令，既保护了用户在软件方面的投资，又使得熟悉TMS320C54x编程的软件人员几乎不用再学习就可以编写他的软件。同时，TMS320C5509中还集成了大量诸如AD，USB控制器之类的片内外设，使其成为了一款具有SOC（片上系统）性质处理器，用户只需外加很少的辅助器件就可以构成一个较完整的DSP系统。从以上特点可以看出，TMS320C5509非常适合于应用在便携式系统中。

　　2、实时操作系统DSP／BIOSⅡ的简介

　　TI公司的DSP／BIOSⅡ是一种专门为TI公司的TMS320系列DSP芯片设计的嵌入式实时多任务操作系统。主要由5个部分组成：

　　（1）线程和调度（Procedure and Scheduling）

　　DSP／BIOSⅡ提供了4种不同的执行线程，包括HWI（硬中断任务）、SWI（软中断任务）和TSK（任务）等，每一类线程又具有不同的执行、挂起、休眠等特性。DSP／BIOSⅡ支持基于静态优先级的调度方法，又可以通过修改内核提供抢先式多任务服务。

　　（2）硬件抽象（Hardware Abstraction）

　　他提供了PIP和SIO两种数据传输模式，可以方便DSP与外设之间的数据交换。Pipe（数据管道）使用了较少的内存，并且传输的速度快、效率高。SIO（流）对内存有了更高的抽象，便于创建设备驱动程序更加结构化的方法。

　　（3）资源管理（Resoure Management）

　　利用DSP／BIOSⅡ的逻辑接口可以对特定的硬件部分进行访问和配置。DSP／BIOSⅡ不仅可以通过其设置工具来定义内存映射、中断向量表而且还可以设置定时器、串行口等硬件设备。

　　（4）通信和同步（Communication and Synchronization）

　　DSP／BIOSⅡ支持旗语（Semaphores）、邮箱（Mailbox）和数据队列（Queue）等多种内部线程通信和同步的方式。旗语是最主要的同步方式，可以使任务通过旗语来运行和挂起，还可以用互斥旗语来管理缓冲区和设备。

　　（5）实时分析（Real-Time Analysis）

　　实时分析工具能够让开发者在程序执行期间对DSP进行交互和诊断。DSP／BIOSⅡ不仅提供了常用的日志（LOG），STS，TRC模块，还提供了CPU负载图（CPULoad Graph）、执行图（Execution Graph）等多种更方便的调试和观察工具。

　　3、基于DSP／BIOSⅡ实时操作系统的软件结构设计

　　使用DSP／BIOSⅡ来做项目的第一步就是模块划分，即把项目所要完成的功能拆分成几个相对独立的线程来完成（可以认为线程在运行时是独占DSP的），根据线程中使用硬件资源的情况考虑用什么类型的线程来完成。一般来说，用到硬中断的任务放到HWI来完成，用到定时器的任务可以放到PRD（周期任务）中完成。然后是确定线程之间的关系，根据他来设定各个线程的优先级，以及用 什么方式通讯和交换数据。旗语是最便于使用的通讯方式。

　　探地雷达信号处理机的信号处理过程：A／D每采来一列数据之后给DSP发一个硬中断信号，每接收到一列数据之后，DSP对这列数据分别进行平均滤波和自适应滤波，同时进行列计数；当列计数到达一帧时，对这一帧图像信号进行小波去噪处理和脉冲压缩，最后根据键盘的设定把图像显示到图形液晶上，并通过USB接口送到PC主机，以便下一步的处理。

根据以上的执行过程，整个软件分解为12个独立的任务，其中列中断、USB数据传送这2个模块是HWI（硬中断）类型的任务，键盘模块属于PRD（周期性）任务（完成对键盘定期扫描），其余模块是SWI（软中断）类型的任务。初始化任务完成对DSP的初始设定后就删除；列中断任务负责给DSP发送列数据来临信息，触发列平均、列自适应任务，完成对一列数据的去噪处理；列计数模块完成对列中断的计数，当到达一帧时，发送帧中断，触发一系列针对帧的数据处理任务；整个软件系统的执行流程如图2所示。

　　DSP／BIOSⅡ作为一种商用的操作系统，提供给便于使用的图形配置界面。使用图形界面可以帮助开发者快速开发程序，不必写繁琐的初始化程序，而可以用图形界面配置后让编译器自动生成。比如对于串行口（MCBSP）的设置就需要配置中断源、数据格式、收发频率等十几个寄存器，麻烦而且容易出错，但是如果使用图形界面来设置，一切就容易多了。图形配置界面不仅可以完成对硬件资源的设置，还可以对任务、信号量进行初始化，完成了他，也就完成了使用DSP／BIOSⅡ的第二步工作。完成各个线程程序的编写之后，编译并载入DSP中运行。DSP首先初始化，然后从MAIN（）函数跳入任务循环队列，按照优先级执行队列中的任务，而任务一般都是无限循环的，只被特定的信号量挂起。

　　DSP／BIOSⅡ提供了强大的分析调试工具。除了常用的方法之外，CPU负载图和执行图是两种非常有效的方法。CPU负载图提供的是目标CPU的负载曲线。CPU负载的定义是除去执行最低优先级任务以外的时间量。最低优先级任务是只在其他线程都不运行时才执行的任务。因此，CPU负载图包括从目标向主机传送数据和执行附加后台任务所需的时间。在执行图中，可以看到各个线程的活动方式。图形中还包括了信号量的活动，周期性函数标记（tick）和时钟模块标记。执行图能从整体上看到项目所有线程的活动状态。根据调试得到的信息可以评估线程的执行情况和CPU的负荷情况，配合其他调试工具，修改设计直到完成项目的功能需要。

　　CPU负载图反映的是软件系统所需要的性能和CPU实际最大性能的比值，像PC机上性能统计图，如果所需的性能大于DSP的实际性能，就必须修改设计、优化算法、加快时钟频率，甚至更换性能更高的DSP芯片。

　　执行图显示了各个任务执行过程中的细节信息，对于嵌入式应用而言，实时性是非常重要甚至是必须满足的条件，操作系统按很小的间隔进行调度就是力图保证系统响应的实时性。但是在实际中，如果任务分配不好，使得任务不能在调度间隔内完成，就会影响整个系统的实时性，这时，必须对任务划分作合理的修改。比如本系统中对一列数据的去噪处理，原先是等到一帧数据来到后再做的，仿真中发现这样使得一帧间隔内所要执行的任务过多，DSP无法完成，所以将数据的预处理改到每一列去做，保证系统的实时性。

　　4、DSP／BIOSⅡ操作系统使用中要注意的问题

　　（1）很好地使用DSP／BIOSⅡ的关键在于很好地理解操作系统，这有点像算法理论和应用算法的关系。操作系统凝聚了软件领域几十年发展中的精华，有很多概念和结构是需要很深入的理解和思考的，所以，初学者一定得反复看看一些专门讲操作系统的书籍。

　　（2）任务必须写成下面2种形式之一。

　　在DSP／BIOSⅡ开发环境里没有要求显示调用OSTaskDel（），这是因为开发环境自动做了处理，实际原理都是一样的。

　　5、结束语

　　本文对探地雷达信号处理机的硬件结构和软件设计都做了介绍，重点介绍了如何在项目应用中使用DSP／BIOSⅡ实时嵌入式操作系统。实时嵌入式操作系统在国外得到广泛的应用，已成为嵌入式系统设计中必不可少的一部分，但是在国内高校，以DSP为核心的嵌入式平台中，嵌入式操作系统的应用很有限。所以快速利用这方面的最新技术，提高嵌入式系统开发的层次和深度是刻不容缓的。