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軟件日益增加的對(duì)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)設(shè)計(jì)的重要性已不是什么新鮮事,同樣今天的SoC通常含有幾種不同類型的處理器也已很常見(jiàn)。不過(guò),令人驚訝的是,業(yè)界很少對(duì)這些技術(shù)發(fā)展可能造成的影響進(jìn)行討論。
當(dāng)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)只包括一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微處理器時(shí),實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)通常還承擔(dān)任務(wù)管理的工作。這個(gè)RTOS可能是商業(yè)版的,但更可能是內(nèi)部自己開(kāi)發(fā)的。在任一種情況下,其工作都是調(diào)度、分派、監(jiān)控和在各種計(jì)算任務(wù)后整理內(nèi)存,并為它們提供一個(gè)統(tǒng)一的、獨(dú)立于硬件的系統(tǒng)資源接口。
事實(shí)上也是這樣,而且有證據(jù)表明,過(guò)去的自己開(kāi)發(fā)的RTOS正逐步讓位于更小的和低版稅的第三方產(chǎn)品。不過(guò),RTOS在遇到含有多處理內(nèi)核的SoC器件時(shí)通常會(huì)碰壁,尤其是當(dāng)各種處理內(nèi)核的架構(gòu)不同時(shí)。市場(chǎng)上很少有能支持對(duì)稱多處理的RTOS產(chǎn)品,更不用說(shuō)由CPU、DSP和定制模塊構(gòu)成的異質(zhì)架構(gòu)了。
最常見(jiàn)的情況是,位于中央CPU上的RTOS通過(guò)信標(biāo)、郵箱、擴(kuò)音器或任何該架構(gòu)能設(shè)計(jì)出來(lái)的東西與在其它模塊上運(yùn)行的特別(Ad-Hoc)控制程序進(jìn)行通信。如果有些模塊不是軟件可編程的,那么就可能需要一個(gè)set-and-test寄存器接口。
所有的事情都在向?qū)Ｓ没D(zhuǎn)變。評(píng)估和性能分析變得充滿挑戰(zhàn)性,經(jīng)理們緊張不安。人們開(kāi)始非常關(guān)心嵌入式軟件的大小,CPU的執(zhí)行周期預(yù)算和SoC的能耗正在進(jìn)入RTOS的工作范疇,而非工作負(fù)荷。
新創(chuàng)公司Ignios正在致力于解決這種狀況。這家公司已經(jīng)創(chuàng)建了一套應(yīng)用程序接口(API),它們可用來(lái)控制系統(tǒng)中每一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)、以及中斷處理和任務(wù)間通信。這些API獨(dú)立于SoC中的特定硬件模塊、任務(wù)以及系統(tǒng)所使用的RTOS。
但是,為確保芯片中每一模塊上的控制寄存器、中斷處理和任務(wù)管理能夠與API正確通信,仍有大量依賴于硬件的編程工作要做。而且,在任務(wù)管理上,還存在許多時(shí)間和功率方面的問(wèn)題。
圖:1．硬件任務(wù)主控器
2．系統(tǒng)存儲(chǔ)器
3．硬件引擎
4．SystemWeaver
5．系統(tǒng)互聯(lián)
6．DMA引擎
7．資料來(lái)源:Ignios Ltd.
因此,Ingios走出了下面關(guān)鍵的一步。該公司創(chuàng)建了一個(gè)硬件IP模塊,用來(lái)處理任務(wù)調(diào)度和任務(wù)間通信。
正如該公司業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁Dan Chester所描述的,該模塊類似于一個(gè)能夠創(chuàng)建并遍歷任務(wù)控制塊鏈表的精細(xì)狀態(tài)機(jī)。那些任務(wù)描述符,以及可用硬件資源的描述符,被存儲(chǔ)在一個(gè)本地快速RAM中。整個(gè)封包由硬件IP、存儲(chǔ)器和API代碼組成,被稱為SystemWeaver。
在實(shí)際運(yùn)作中,SystemWeaver IP通常放在總線、一個(gè)交叉條(crossbar)或SoC的其它單元上。設(shè)計(jì)人員可以直接從個(gè)別模塊向SystemWeaver模塊發(fā)送中斷信號(hào),但這不是必需的。
除了將SystemWeaver模塊插入到SoC設(shè)計(jì)之外,SoC中的每一個(gè)處理單元可能還另外需要少許軟件或硬件。當(dāng)一個(gè)任務(wù)被阻塞或完成時(shí),為了向SystemWeaver模塊發(fā)送信號(hào),這些軟件或硬件是必需的；Chester估計(jì),這需要在每個(gè)模塊上增加不超過(guò)10kb的代碼。在非編程模塊中,該功能由一個(gè)小型狀態(tài)機(jī)處理。
最后,必須在SystemWeaver本地存儲(chǔ)器中建立任務(wù)和系統(tǒng)資源結(jié)構(gòu)。
一旦系統(tǒng)被初始化,SystemWeaver硬件就扮演RTOS內(nèi)核中的任務(wù)控制器的角色,建立一個(gè)就緒任務(wù)清單,并在硬件資源可用時(shí)將任務(wù)分配到每一資源。這個(gè)模塊也作為任務(wù)間通信媒介。
任務(wù)/數(shù)據(jù)對(duì)
數(shù)據(jù)集和任務(wù)代碼綁定在一起,當(dāng)任務(wù)準(zhǔn)備就緒時(shí),該任務(wù)/數(shù)據(jù)對(duì)被分派到第一個(gè)可用的處理器。也可以執(zhí)行優(yōu)先級(jí)排序和其它服務(wù)質(zhì)量(QoS)分配方案。
如果需要,一個(gè)數(shù)據(jù)集也可以與運(yùn)行在不同處理器模塊上的兩個(gè)任務(wù)邦定,這樣當(dāng)高速資源緊張時(shí),該任務(wù)可以在稍慢的不太重要的資源上運(yùn)行。還有其它好的選擇,例如用于處理運(yùn)行時(shí)間可重配置硬件資源的方案。
當(dāng)一個(gè)任務(wù)被阻塞或完成時(shí),正在執(zhí)行該任務(wù)的處理器向SystemWeaver模塊發(fā)出信號(hào),后者查看其任務(wù)清單,然后分配一個(gè)新的任務(wù)給這個(gè)處理器。
Chester認(rèn)為,可以把整個(gè)第三方RTOS作為一個(gè)任務(wù)來(lái)啟動(dòng),允許它在SystemWeaver環(huán)境中運(yùn)行,控制自己的任務(wù)或是簡(jiǎn)單地把任務(wù)控制責(zé)任轉(zhuǎn)交給SystemWeaver模塊。Ignios正在尋求與RTOS供應(yīng)商的合作,在選擇RTOS產(chǎn)品和系統(tǒng)間發(fā)展更緊密的協(xié)同關(guān)系。
從功能上來(lái)說(shuō),SystemWeaver模塊沒(méi)有做任何RTOS內(nèi)部的工作。不過(guò),任務(wù)分配的全部關(guān)鍵路徑都發(fā)生在硬件中,從而大幅減少任務(wù)間的延遲,并從控制CPU中刪除了相當(dāng)多的高優(yōu)先級(jí)負(fù)載。
這個(gè)方案的另一個(gè)好處是,由SystemWeaver API創(chuàng)建的抽象層通常可用來(lái)管理系統(tǒng)級(jí)調(diào)試。它允許設(shè)計(jì)人員在任務(wù)級(jí)檢查整個(gè)系統(tǒng),而不必深究6個(gè)不同處理器的源代碼,也不需要費(fèi)力理解一、兩個(gè)硬件狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)。
Ignios可提供該硬件模塊的一個(gè)全面SystemC模型,它可用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建模、集成和驗(yàn)證。
SystemWeaver 1.0版本目前正向重點(diǎn)客戶授權(quán)。該版本包括針對(duì)硬件模塊的可綜合RTL、API代碼、SystemC模型以及使用該模塊的SoC的一些參考設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
作者:Ron Wilson
