多處理器運行的嵌入式系統(tǒng)

在早期開發(fā)微處理器的嵌入式軟件時，條件比較簡單，只有一個CPU、數(shù)量有限的存儲器、若干I/O、還可能有簡單的網(wǎng)絡。

今天，情況已經(jīng)變化。嵌入式系統(tǒng)可能是多CPU，甚至是DSP和CPU的組合。存儲器和數(shù)據(jù)率都屬于海量，此外，開發(fā)隊伍遍布全球，而且客戶要求提供幾乎不可能達到的可靠性。

嵌入式軟件供應商怎樣才能夠滿足開發(fā)商的需要，包括消息傳送、存儲器管理、CPU/DSP之間的通信、容錯和系統(tǒng)級開發(fā)工具呢？

當DSP越來越復雜和更加強大時，開發(fā)商逐漸認識到，必須在這些器件上運行實時操作系統(tǒng)。當執(zhí)行多任務時，實時操作系統(tǒng)能夠有效地使用DSP的資源，并且對誤差處理和存儲器地址分配等作業(yè)有幫助。

對于TigerSHARC等DSP，實時操作系統(tǒng)通過“鏈接端口”處理通信，控制其它CPU和DSP，并且產(chǎn)生同步。為CPU和DSP同時提供通用的API(應用程序接口)可改善開發(fā)時間、編寫文件和代碼維護。

實時操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一項重要進步是內(nèi)部處理通信能力—嵌入式系統(tǒng)的作業(yè)如何與其它作業(yè)交換數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)辦法是分享存儲器的“信箱”，采用信號量進行存取和控制。

隨著嵌入式系統(tǒng)變得更為復雜。許多開發(fā)團隊轉(zhuǎn)而使用異步的信息通行結(jié)構(gòu)(參閱圖1)。從程序員的觀點來看，例如在OSE實時操作系統(tǒng)中，作業(yè)只要簡單地發(fā)送消息和另一個作業(yè)接收消息。這樣做的優(yōu)點很多，由于實時操作系統(tǒng)處理了存儲器的地址分配，系統(tǒng)的調(diào)用數(shù)就減少。作業(yè)可在系統(tǒng)內(nèi)任何地方接收。甚至可通過背板接收到在另一塊電路板的作業(yè)；不管作業(yè)在哪里，實時系統(tǒng)都可對它進行處理，事實上，消息通行的異步方式是指一個作業(yè)不能鎖住另一個正在等候信號的作業(yè)；有時候在復雜的分布系統(tǒng)中，這樣做是很重要的。

異步的消息通行結(jié)構(gòu)還有另外的優(yōu)點，它可將項目劃分成幾部分，再分配到幾個小組作并行開發(fā)。

存儲器管理是另一個結(jié)構(gòu)問題。當系統(tǒng)要得更加動態(tài)和更加著重存儲器時，嵌入式系統(tǒng)的存儲器管理就變得十分重要。在動態(tài)系統(tǒng)中，一個不可避免的問題是數(shù)據(jù)分段。雖然無用信息收集法可作為一種解決方案，但是它的風險會影響到系統(tǒng)的實時性能。

OSE實時操作系統(tǒng)正用于全球的基站中，經(jīng)常放置在遠端臺站。對網(wǎng)絡供應商來說，損失客房的空中時間或票據(jù)信息都是不可取的。OSE用兩種地址分配方式來消除分段，“堆置(heap)”，根據(jù)黃金分割法的順序分配存儲器地址，從而限制分段；輪詢緩沖器(a pool of buffers)，此時任務分配為輪詢存儲器，而且只分配到預定容量的緩沖器中。一旦某個緩沖器被使用，它就回到系統(tǒng)內(nèi)。結(jié)果是輪詢的全部存儲器隨時保持“可用”狀態(tài)。這種辦法還有一些重要特點，如不會受到存儲器搜索延時的影響。

現(xiàn)代實時操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進展是誤差處理(參閱圖2)。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，軟件開發(fā)者為了處理可能發(fā)生的任何錯誤，在系統(tǒng)訪問后必須編寫“差錯代碼”，例如，出現(xiàn)失效的存儲器地址分配錯誤。不難想到，當項目越大和開發(fā)隊伍擴大時，將有許多人寫出大量的差錯碼。在OSE結(jié)構(gòu)中，錯誤處理是內(nèi)建在系統(tǒng)訪問的運作。

從程序員的觀點來看，應用提出對系統(tǒng)訪問，而實時操作系統(tǒng)完成其它工作。如果系統(tǒng)訪問失敗，則內(nèi)核將調(diào)用中央錯誤處理器去解決問題。

這樣做有很多好處。第一，應用碼更加緊湊和可靠，而且開發(fā)和排錯也更快。第二，更多錯誤處理可在系統(tǒng)級進行，構(gòu)成更牢靠的容錯系統(tǒng)。

各種處理器之間的通信

嵌入式開發(fā)的最重要發(fā)展趨勢也許就是混合設計和多CPU/DSP設計了。這種設計有系統(tǒng)級、電路板級、甚至芯片級，例如，集成器件諸如TI公司的OMAP，它的特點是ARM核和一個DSP結(jié)合。

實時操作系統(tǒng)開發(fā)商加緊CPU和DSP兩者的開發(fā)，但是怎樣解決DSP與CPU的通信呢？Enea嵌入式科技公司構(gòu)建了一種鏈接處理器。它是實時操作系統(tǒng)的一部分，用來處理整個系統(tǒng)內(nèi)各任務的分散消息，不管消息來自鄰近的DSP或是在另一插卡上的CPU。它的工作能夠跨越大部分通信機制，包括以太網(wǎng)、串行口、CAN和Compact PCI等。這種鏈接處理器是智能的，能夠檢測出傳輸機制的故障和尋找出新的路由。它還能夠根據(jù)名稱來分配任務，甚至發(fā)送不知道接收方的位置/路徑的任務。

構(gòu)建在鏈接處理器上，OSE的開發(fā)人員開發(fā)出兩種系統(tǒng)訪問方式，稱為“搜索”和“連接”?！八阉鳌痹L問讓某一任務決定需要與另一任務通信的路徑。一旦知道路徑后，該任務即可“連接”上接收的任務。同時表明，如果該任務遇到有任何事件發(fā)生，則內(nèi)核將會告知發(fā)送任務方。接收任務所駐留的電路板是否已移走或失效，都會告訴發(fā)送方。因而，該任務可將(失效)的復印件重新“搜索”一次，或者將一份新的接收方任務復印件送到(熱插拔)的替換電路板上。

縮短開發(fā)時間

面市時間是大事迫使軟件和工具供應商提出解決方案。例如Ericsson等公司的許多前階段開發(fā)，在實際硬件未完成前是在OSE的“軟內(nèi)核”上進行的，軟內(nèi)核是一種已移植到Windows上的一種實時操作系統(tǒng)，使工程師能夠在臺式PC上開發(fā)代碼。這種開發(fā)環(huán)境可支持多內(nèi)核，甚至支持鏈接處理器技術(shù)。

在查錯階段，許多工作可使用“系統(tǒng)級”查錯工具。工具對運行在系統(tǒng)內(nèi)的任務，狀態(tài)以及性能提供可見度，工具可動態(tài)地分析存儲器的使用情況；用一個任務或一組任務分析對CPU的要求；對通過系統(tǒng)的消息進行跟蹤；甚至可讓工程師在系統(tǒng)級上設置斷點，以及對運行中的系統(tǒng)注入測試和分析用的信號。因而，工程師即可在工作臺上而無需在現(xiàn)場快速查錯。