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                   摘 要：在嵌入式系統(tǒng)中常常需要處理大量的實時數(shù)據(jù)，特別是在面向視頻應(yīng)用的系統(tǒng)中。如何使CPU高效運行的問題契待解決。常用解決方法有：用匯編語言優(yōu)化代碼、移植嵌入式實時操作系統(tǒng)等。本文首先介紹了基于BF533的視覺監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計，然后闡述了實時操作系統(tǒng)ucos-ii針對此硬件平臺的移植過程。經(jīng)實際運行，證明該設(shè)計能良好完成對運動目標(biāo)跟蹤等功能并且運行效率得到有效提高。 
關(guān)鍵詞：ucos-ii，BF533，嵌入式操作系統(tǒng)，優(yōu)先級搶占
引言
　　嵌入式系統(tǒng)常用在一些特定專用設(shè)備上，通常這些設(shè)備的硬件資源（如處理器、存儲器等）非常有限，并且對成本很敏感，實時響應(yīng)要求很高，特別是在面向視頻應(yīng)用的系統(tǒng)中。嵌入式操作系統(tǒng)具有體積小、實時性好等優(yōu)點。嵌入式操作系統(tǒng)ucos-ii就是基于任務(wù)優(yōu)先級搶占的嵌入式實時操作系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計
　　系統(tǒng)使用的主芯片是ADI公司Blackfin系列DSP中的BF533，這是一款專門面向視頻應(yīng)用的DSP，擁有豐富的外設(shè)接口和較好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。本系統(tǒng)利用BF533的PPI接口采集數(shù)字圖像，利用芯片的EBIU總線，擴(kuò)展SDRAM和網(wǎng)絡(luò)芯片。BF533工作在600MHz頻率，單個芯片即可完成對運動目標(biāo)跟蹤和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋；贐F533的嵌入式系統(tǒng)的外圍電路主要可分為三個部分：圖像采集部分，網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，存儲器部分。系統(tǒng)硬件框圖如圖1：

圖1 系統(tǒng)硬件框圖
　　圖像采集電路部分采用了TI公司的TVP5150A型視頻解碼芯片，它將NTSC/PAL/SECAM制式的視頻信號轉(zhuǎn)換成8bits的ITU-656格式，并按照YCbCr格式以4:2:2的比例轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，支持兩路模擬輸入，解碼芯片通過I2C串行接口編程。
　　網(wǎng)絡(luò)傳輸部分采用LAN91C111芯片。這是SMSC公司為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)推出的第三代快速以太網(wǎng)控制器。本系統(tǒng)中，LAN91C111被當(dāng)作了是異步存儲空間，利用AMS3把它映射在BF533的0x20300000地址空間。這樣就可以通過DMA操作實現(xiàn)對LAN91C111內(nèi)部存儲空間讀寫操作，提高了傳輸效率并使復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程簡單化。
　　存儲器部分BF533的存儲結(jié)構(gòu)是統(tǒng)一的4GB尋址空間。同步存儲器、異步存儲器、外設(shè)存儲空間和片內(nèi)存儲器全部統(tǒng)一映射在4GB的空間。BF533的EBIU接口中有專門的SDRAM控制單元SDC，可以和SDRAM無縫連接。BF533支持的SDRAM地址是從0x00000000到0x08000000的空間，最大128MB。本系統(tǒng)中使用MICRON公司的MT48LC系列SDRAM，存儲空間32MB，用于存儲圖像處理中的中間結(jié)果。另外，BF533支持四塊連續(xù)的異步存儲空間，每塊空間大小為1MB，地址從0x20000000到0x20400000，由相應(yīng)的AMS0-AMS3引腳選擇使能。本系統(tǒng)使用的是ST公司的M29W系列FLASH，大小1MB。由AMS0片選使能，映射在BF533的第一塊異步存儲空間。
2 ucos-ii的移植
　　ucos-ii是一種具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，而且是免費公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強等特點。最小內(nèi)核可編譯至2KB，適合小型控制系統(tǒng)。與CPU 硬件相關(guān)的部分用匯編語言編寫，其他絕大部分代碼采用C語言編寫。ucos-ii在硬件平臺上的移植主要分為兩大步驟：ucos-ii中與處理器相關(guān)的程序的修改、應(yīng)用程序的添加。
　　2.1 ucos-ii與嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)
　　所有的嵌入式操作系統(tǒng)都是與CPU密切相關(guān)的，做移植前需要熟悉被移植CPU平臺的硬件架構(gòu)和ucos-ii的運行原理，圖2是ucos-ii與本嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖
　　2.2 基于BF533的ucos-ii的移植
　　移植ucos-ii需要理解處理器及C編譯器的技術(shù)細(xì)節(jié)。處理器和編譯器滿足了ucos-ii的要求，并且已經(jīng)有了必要工具。移植工作通常包括以下幾個內(nèi)容：
　　A 用#define設(shè)置一個常量的值（OS_CPU.H）;
　　B 聲明10個數(shù)據(jù)類型（OS_CPU.H）;
　　C 用#define聲明三個宏（OS_CPU.H）;
　　D 用C語言編寫六個簡單的函數(shù)（OS_CPU_C.C）;
　　E 編寫四個匯編語言函數(shù)（OS_CPU_A.ASM）;
　　針對不同的CPU平臺，移植ucos-ii的過程也會有稍許不同。在本系統(tǒng)中，移植過程大致分為兩大部分：1）修改部分文件使ucos-ii與DSP能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接口（主要指ucos-ii對DSP硬件架構(gòu)的支持）;2）添加針對嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺的初始化及驅(qū)動代碼。
　　2.2.1 針對BF533的ucos-ii的代碼修改
　　由于BF533是基于MSA（微信號架構(gòu)）的16位定點DSP，為了能與ucos-ii數(shù)據(jù)處理單位統(tǒng)一，需要在OS_CPU.H文件中設(shè)置BF533的數(shù)據(jù)單元長度。部分宏定義代碼如下：
　　typedef bool BOOLEAN;
　　typedef signed char INT8S;
　　typedef signed short int INT16S;
　　typedef signed int INT32S;
　　另外在OS_CPU.H文件中還需設(shè)置幾個堆棧的參數(shù)如堆棧的增長方向、堆棧的操作單位等。BF533支持的是自頂向下的堆棧增長方式，即堆棧空間從高地址向低地址增長。單次堆棧操作單位是INT32U。最后在OS_CPU.H還要對三個函數(shù)進(jìn)行宏定義：屏蔽所有中斷，恢復(fù)所有中斷，進(jìn)行任務(wù)切換。這三個函數(shù)在ucos-ii中十分重要，前兩個是為了保證一些重要函數(shù)或任務(wù)運行中的數(shù)據(jù)不會被改變（即通常所說的代碼臨界段），第三個是用于ucos-ii的任務(wù)切換，在ucos-ii中要求任務(wù)的切換就好象是剛發(fā)生過一次中斷一樣。在本系統(tǒng)中首先假設(shè)申請切換的任務(wù)已經(jīng)把相關(guān)的寄存器變量等參數(shù)保存，并將堆棧指針指向了優(yōu)先級高的任務(wù)。這樣任務(wù)切換函數(shù)就只需要完成中斷返回操作。
　　開發(fā)軟件采用VisualDSP++，它的編譯器支持在C語言中嵌入?yún)R編，因此我們把這個宏定義直接寫成了一條軟件中斷指令：raise 14。這樣一旦系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)切換，實際上引起了一個中斷操作，在OS_CPU_A.ASM文件中我們在此中斷操作中完成任務(wù)切換前的保存寄存器等工作，最后是一條中斷返回指令：RTS。這樣優(yōu)先級更高的任務(wù)運行時就會好像剛從中斷返回一樣。
　　在文件OS_CPU_A.ASM中還需要編寫幾個匯編函數(shù)來實現(xiàn)ucos-ii的時鐘節(jié)拍、正常任務(wù)切換、中斷級任務(wù)切換、初始化任務(wù)堆棧等功能。
　　在ucos-ii中，我們可以把時鐘節(jié)拍TICKS比做是它的心臟節(jié)拍。TICKS為系統(tǒng)提供了一個時間基準(zhǔn)并為各個任務(wù)提供了時間等待等服務(wù)。本系統(tǒng)使用BF533的核心定時器來完成系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的功能。系統(tǒng)TICKS設(shè)定的是100mS。以下是部分初始化核心定時器的匯編代碼：
　　_CoreTimerInit:
　　p1.H = （ TCNTL >>16 ）; //設(shè)置時間控制寄存器
　　p1.L = （ TCNTL &0xFFFF ）;
　　r3 = 1;
　　[ p1 ] = r3;
　　p1.H = （ TCOUNT >>16 ）; //裝載計數(shù)值
　　p1.L = （ TCOUNT &0xFFFF ）;
　　[ p1 ] = r1;
　　p1.H = （ TCNTL >>16 ）; //開啟定時器
　　p1.L = （ TCNTL &0xFFFF ）;
　　r1 = 0x07;
　　[ p1 ] = r1;
　　_CoreTimerInit.end:
　　除增加上述功能函數(shù)外，在ucos-ii啟動代碼的程序中加入BF533的一些必須的初始化程序如CPU頻率的設(shè)定等， ucos-ii就可以在本系統(tǒng)上運行起來。
　　2.2.2 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)在ucos-ii中的系統(tǒng)驅(qū)動程序添加
　　ucos-ii移植完成后，嵌入式系統(tǒng)要實現(xiàn)應(yīng)有的功能還需要添加一些外圍電路的驅(qū)動程序如：網(wǎng)卡芯片LAN91C111的初始化程序，視頻A/D芯片的初始化程序等。由于Blackfin系列DSP支持存儲空間的DMA操作，為了充分發(fā)揮BF533的硬件優(yōu)勢，本系統(tǒng)專門建立一個文件DMA_TRANS.C實現(xiàn)多個存儲空間的DMA操作的初始化配置，以方便各個任務(wù)實現(xiàn)其功能調(diào)用。以下就是實現(xiàn)網(wǎng)卡芯片DMA存儲操作的部分配置文件：
　　void init_dma（LAN91C111_DATA ＊d）
　　｛dev =d; // 為LAN91C11設(shè)置一個全局靜態(tài)變量，實現(xiàn)對它的數(shù)據(jù)訪問
　　SET_SHORT（（dev->DstStreambaseAddr+OFFSET_CONFIG）,（unsignedshort）0x0）;
　　// 對目標(biāo)地址的配置清零
　　SET _SHORT（（dev->SrcStreambaseAddr+OFFSET_CONFIG）,（unsigned short）0x0）;
　　//對源地址的配置清零
　　dma_mask_en（1）; //將SIC控制寄存器的相應(yīng)DMA傳輸位置1。｝
　　2.3 基于ucos-ii和監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)程序添加
　　在ucos-ii中系統(tǒng)的各個應(yīng)用程序被當(dāng)成是任務(wù)，每個任務(wù)被分配一個優(yōu)先級，ucos-ii支持的最大任務(wù)數(shù)可在OS_CFG .H文件中指定。ucos-ii可以管理多達(dá)64個任務(wù)，并從中保留了四個最高優(yōu)先級和四個最低優(yōu)先級的任務(wù)供自己使用，所以用戶可以使用的只有56個任務(wù)。因為ucos-ii不支持相同優(yōu)先級的任務(wù)，所以每建立一個任務(wù)就需要為任務(wù)分配一個優(yōu)先級并建立一個獨立的堆棧空間。
　　本智能監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對運動目標(biāo)的跟蹤監(jiān)控和將原始數(shù)字圖象轉(zhuǎn)化為BMP格式并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送現(xiàn)場圖片的功能。在ucos-ii中分配了兩個任務(wù)優(yōu)先級0和1給對運動目標(biāo)的跟蹤和網(wǎng)絡(luò)傳輸。之所以使網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜蝿?wù)優(yōu)先級低于對運動目標(biāo)跟蹤的任務(wù)，是因為考慮到網(wǎng)絡(luò)延時等因素會造成對運動目標(biāo)跟蹤的實時性效果比較差，對圖像做二值化和差分等運算的時間不大于150mS以及攝像機云臺運動一次的時間大概是500mS。本系統(tǒng)在對運動目標(biāo)跟蹤任務(wù)中采取的策略是：每當(dāng)任務(wù)完成一次跟蹤，就使自己進(jìn)入掛起狀態(tài)，直到每秒定時到后，在時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序中喚醒該任務(wù)使之處于就緒狀態(tài)。任務(wù)的狀態(tài)圖如圖3：

圖3 任務(wù)狀態(tài)圖
3 結(jié)論
　　在ucos-ii的移植和系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)過程中，針對不同的CPU有不同的開發(fā)細(xì)節(jié)，在嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)注意以下幾點：
　　A 移植過程中，對ucos-ii的堆棧的理解很重要，它的任務(wù)切換的實質(zhì)就是利用堆棧的改變和軟件中斷來實現(xiàn)任務(wù)的跳轉(zhuǎn)。并且在系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序中也要注意到這一點，采取適當(dāng)?shù)亩褩２僮饕允怪疂M足任務(wù)切換的條件。
　　B 在ucos-ii上增加應(yīng)用任務(wù)之前，最好是編寫幾個如串口發(fā)送之類的簡單任務(wù)來測試移植ucos-ii后系統(tǒng)的可靠性，然后在此基礎(chǔ)上逐漸添加一些復(fù)雜的任務(wù)。
　　C 要分析好ucos-ii各個任務(wù)的功能與時間要求，特別是在以時間為任務(wù)運行條件的情況下，可以在時鐘中斷服務(wù)中創(chuàng)建任務(wù)。如果系統(tǒng)是應(yīng)用在對時間不敏感的場合，可以使用ucos-ii自帶的郵箱功能，用一個運行中的任務(wù)在滿足一定條件下來喚醒另一個任務(wù)。
　　將ucos-ii應(yīng)用在嵌入式智能視覺監(jiān)控系統(tǒng)中后，經(jīng)實際運行，該系統(tǒng)能良好完成預(yù)期的所有功能，對非高速的運動目標(biāo)跟蹤效果良好，局域網(wǎng)的PC主機能收到較清晰的Half D1分辨率、256灰度等級的現(xiàn)場BMP圖片。
　　本文創(chuàng)新點：本文針對圖像處理系統(tǒng)中實時處理數(shù)據(jù)量大的問題，將實時操作系統(tǒng)ucos-ii應(yīng)用于系統(tǒng)中，使CPU運行速率得到了有效的提高。
參考文獻(xiàn)
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