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  第5题      
  知识点:   DMA方式   操作系统   控制器   嵌入式操作系统   数据存储   中断   DM   任务调度   硬件

 
【说明】
在某工厂的物流车间,设计一款智能监测系统,实现对车间进行24小时不间断图像采集的功能。王工设计了一个实时监测采集系统,主要由图像采集卡和数据存储卡组成。由于实时图像的数据量巨大,设计采用DMA方式进行数据传输,当DMA传输完成后,DMA控制器会发起一个硬件中断操作系统接收到硬件中断,调用中断服务程序。
该系统的软件基于某嵌入式操作系统开发,支持中断管理、多任务调度等功能。与DMA相关的一段驱动程序示例代码如下。



 
问题:5.1   (5分)
在操作系统的头文件中,有如下类型定义:

1. 该类型定义了一组什么类型的变量,简述其功能。
2. 在程序1的dma_init 函数中,应该将intConnec t函数的第二个参数转换成相应的类型,可以消除编译警告,请补充其中空(1)的内容。
 
问题:5.2   (4分)
DMA控制器的寄存器操作序列,必须为原子操作,该程序中使用了两个信号量,一个用于进行寄存器操作系统的临界区保护,一个用于在传输函数和DMA完成中断处理程序之间同步。请根据信号量创建时的不同初始值,在程序2的dma_trans函数和程序3 dma_intHandle 函数中,补充空(2) 、 (3)、 (4)、 (5)处的内容。
 
问题:5.3   (6分)
在该系统中有A、B两个应用任务同时从不同角度采集图像,都需要调用该DMA传输函数,任务A和任务B的优先级相同。该系统采用优先级抢占的调度策略。在任务A调用DMA传输函数进行DMA传输时,有时会出现函数返回值为0的情况。根据DMA 控制器的芯片手册定义,1表示正常完成,2表示传输超时,4表示奇偶校验错,所以返回值不应该为0。
王工经过认真排查后,分析该故障发生的原因是当任务A调用dma_trans函数时,会发生任务suspend的情况,此时如果任务B也调用dma_trans函数,则会发生上述故障。
1. 请给出dma_trans函数中会导致任务发生阻塞的代码行号。
2. 按照王工的分析,对全局变量的不正确操作会导致该函数的返回值错误,请给出发生错误的代码行号。
3. 王工对该程序进行了改进,将上述会导致返回值错误的代码放在某一行程序之后执行,即可解决该问题,请给出代码行号。
注意:这里的行号是指程序2中注释所标的第1行到第5行,请在第1行到第5行之中选择。
 
 
 

   知识点讲解    
   · DMA方式    · 操作系统    · 控制器    · 嵌入式操作系统    · 数据存储    · 中断    · DM    · 任务调度    · 硬件
 
       DMA方式
        在计算机与外设交换数据的过程中,无论是无条件传送、利用查询方式传送还是利用中断方式传送,都需要由CPU通过执行程序来实现,这就限制了数据的传送速度。
        直接内存存取(Direct Memory Access,DMA)是指数据在内存与I/O设备间的直接成块传送,即在内存与I/O设备间传送一个数据块的过程中,不需要CPU的任何干涉,只需要CPU在过程开始启动(即向设备发出“传送一块数据”的命令)与过程结束(CPU通过轮询或中断得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪)时的处理,实际操作由DMA硬件直接执行完成,CPU在此传送过程中可做别的事情。
        DMA传送的一般过程如下图所示。
        
        DMA过程示意图
        (1)外设向DMA控制器(DMAC)提出DMA传送的请求。
        (2)DMA控制器向CPU提出请求,其请求信号通常加到CPU的保持请求输入端HOLD上。
        (3)CPU在完成当前的总线周期后立即对此请求作出响应,CPU的响应包括两个方面的内容:一方面,CPU将有效的保持响应信号HLDA输出加到DMAC上,告诉DMAC它的请求已得到响应;另一方面,CPU将其输出的总线信号置为高阻,这就意味着CPU放弃了对总线的控制权。
        (4)此时,DMAC获得了对系统总线的控制权,开始实施对系统总线的控制。同时向提出请求的外设送出DMAC的响应信号,告诉外设其请求已得到响应,现在准备开始进行数据的传送。
        (5)DMAC送出地址信号和控制信号,实现数据的高速传送。
        (6)当DMAC将规定的字节数传送完时,它就将HOLD信号变为无效并加到CPU上,撤销对CPU的请求。CPU检测到无效的HOLD就知道DMAC已传送结束,CPU就送出无效的HLDA响应信号,同时重新获得系统总线的控制权,接着DMA前的总线周期继续执行下面的总线周期。
        在此再强调说明,在DMA传送过程中无须CPU的干预,整个系统总线完全交给了DMAC,由它控制系统总线完成数据传送。在DMA传送数据时要占用系统总线,根据占用总线方法的不同,DMA可以分为中央处理器停止法、总线周期分时法和总线周期挪用法等。无论采用哪种方法,在DMA传送数据期间,CPU不能使用总线。
 
       操作系统
        编写嵌入式软件有两种选择:一是自己编写内核;二是使用现成的操作系统。如果嵌入式软件只需要完成一项非常小的工作,例如在电动玩具、空调中,就不需要一个功能完整的操作系统。但如果系统的规模较大、功能较复杂,那么最好还是使用一个现成的操作系统。可用于嵌入式系统软件开发的操作系统有很多,但关键是如何选择一个适合开发项目的操作系统,可以从以下几点进行考虑:
        (1)操作系统提供的开发工具。有些实时操作系统只支持该系统供应商的开发工具,因此,还必须从操作系统供应商处获得编译器、调试器等;而有的操作系统应用广泛,且有第三方工具可用,因此选择的余地比较大。
        (2)操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要的问题,是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此,要选择那些可移植性程度高的操作系统,以避免因移植带来的种种困难。
        (3)操作系统的内存要求,有些操作系统对内存有较大要求。
        (4)操作系统的可剪裁性、实时性能等。
 
       控制器
        运算器只能完成运算,而控制器用于控制整个CPU的工作,它决定了计算机运行过程的自动化。它不仅要保证程序的正确执行,而且要能够处理异常事件。控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑等几个部分。
        指令控制逻辑要完成取指令、分析指令和执行指令的操作,其过程分为取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址等步骤。
        (1)指令寄存器(IR)。当CPU执行一条指令时,先把它从内存储器取到缓冲寄存器中,再送入IR暂存,指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令,控制其他的组成部件工作,完成所需的功能。
        (2)程序计数器(PC)。PC具有寄存信息和计数两种功能,又称为指令计数器。程序的执行分两种情况,一是顺序执行,二是转移执行。在程序开始执行前,将程序的起始地址送入PC,该地址在程序加载到内存时确定,因此PC的内容即是程序第一条指令的地址。执行指令时,CPU自动修改PC的内容,以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的,所以修改的过程通常只是简单地对PC加1。当遇到转移指令时,后继指令的地址根据当前指令的地址加上一个向前或向后转移的位移量得到,或者根据转移指令给出的直接转移的地址得到。
        (3)地址寄存器(AR)。AR保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于内存和CPU存在着操作速度上的差异,所以需要使用AR保持地址信息,直到内存的读/写操作完成为止。
        (4)指令译码器(ID)。指令包含操作码和地址码两部分,为了能执行任何给定的指令,必须对操作码进行分析,以便识别所完成的操作。指令译码器就是对指令中的操作码字段进行分析解释,识别该指令规定的操作,向操作控制器发出具体的控制信号,控制各部件工作,完成所需的功能。
        时序控制逻辑要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。总线逻辑是为多个功能部件服务的信息通路的控制电路。中断控制逻辑用于控制各种中断请求,并根据优先级的高低对中断请求进行排队,逐个交给CPU处理。
 
       嵌入式操作系统
        嵌入式应用的开发可以分为无操作系统和有操作系统两种情形。
        (1)无操作系统的情形。这种情形下,嵌入式软件的设计主要是以应用为核心,应用软件直接建立在硬件上,没有专门的操作系统,软件的规模也很小,基本上属于硬件的附属品。开发人员可以混合使用汇编语言和C语言,实现存储管理、输入/输出管理和任务管理等服务。这种方式的优点是:软件是为特定的应用而专门编写的,因而代码的结构紧凑,体积小、效率高,既提高了运行速度,又节省了存储空间。
        (2)有操作系统的情形。开发时首先将一个可用的嵌入式操作系统移植到目标处理器,当程序员在开发应用程序时,不是直接面对嵌入式硬件设备,而是在操作系统的基础上编写,操作系统会提供必要的API接口函数来实现各种功能。在这种情形下,开发人员不必操心存储管理、任务管理等一般性的事务,而是将精力集中在应用软件的开发上。因而开发速度更快,编写出来的代码更加可靠。这也是现在广泛采用的一种开发方法。
 
       数据存储
        数据存储用来表示存储数据。通常,一个流入加工的数据流经过加工处理后就消失了,而它的某些数据(或全部数据)可能被加工成输出数据流,流向其他加工或外部实体。除此之外,在软件系统中还常常要把某些信息保存下来以供以后使用,这时可以使用数据存储。每个数据存储都有一个定义明确的名字标识。可以有数据流流入数据存储,表示数据的写入操作;也可以有数据流从数据存储流出,表示数据的读操作;还可以用双向箭头的数据流指向数据存储,表示对数据的修改。
 
       中断
        中断是异步发生的,是来自处理器外部的I/O设备的信号的结果。硬件中断不是由任何一条专门的指令造成的,从这个意义上来说它是异步的。硬件中断的异常处理程序常常被称为中断处理程序(interrupt handler)。
               硬中断与软中断
               硬中断是由硬件产生的,例如磁盘、网卡、键盘、时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ(中断请求)。基于IRQ,CPU可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上。
               软中断是一组静态定义的下半部分接口,可以在所有的处理器上同时执行,即使两个类型相同也可以。但是一个软中断不会抢占另外的一个软中断,唯一可以抢占软中断的是硬中断。
               可屏蔽中断与不可屏蔽中断
               可屏蔽中断和不可屏蔽中断都属于外部中断,是由外部中断源引起的。不可屏蔽中断源一旦提出请求,CPU必须无条件响应,而对可屏蔽中断源的请求,CPU可以响应,也可以不响应。
               CPU一般设置两根中断请求输入线:可屏蔽中断请求INTR(Interrupt Require)和不可屏蔽中断请求NMI(Non Maskable Interrupt)。对于可屏蔽中断,除了受本身的屏蔽位控制外,还都要受一个总的控制,即CPU标志寄存器中的中断允许标志位IF(Interrupt Flag)的控制,IF位为1,可以得到CPU的响应,否则,得不到响应。IF位可以由用户控制,指令STI或Turbo C的Enable()函数,将IF位置1(开中断),指令CLI或Turbo_c的Disable()函数,将IF位清0(关中断)。
               中断优先级
               当多个中断源同时请求中断时,而CPU一次只能响应其中的一个中断,同时为了能响应所有中断,就引入中断优先级来处理。系统会根据引起中断事件的重要性和紧迫程度,将中断源分为若干个级别,称作中断优先级。中断优先级有两种:查询优先级和执行优先级。
               查询优先级是不可以更改和设置的,在该方式下当多个中断源同时产生中断信号时,中断仲裁器会选择中断源优先处理的顺序,此过程与是否发生中断服务程序的嵌套毫不相干。当CPU查询各个中断标志位的时候,会依照优先级顺序依次查询,当数个中断同时请求的时候,会优先查询到高查询优先级的中断标志位,但并不代表高查询优先级的中断可以打断已经并且正在执行的低查询优先级的中断服务。
               由于可屏蔽的中断源很多,故需要对其进行管理,如区分是哪个中断源发出的中断信号?哪个中断源最优先及怎样处理多级中断嵌套等。为此,可使用中断控制器对多个可屏蔽中断源进行管理。
               中断控制器能够对中断进行排队管理,避免中断信号的丢失,同时支持对不同中断进行优先级的配置,使高优先级中断能够中断低优先级中断,满足系统中具有更高时间约束特性功能的需要。
               中断嵌套
               当处理器正在处理一个中断时,有比该中断优先级高的中断源发出中断请求时,如果处理器正在执行中断处理程序,那么处理器会对高优先级的中断进行立即处理,处理完之后再返回到低优先级的中断服务程序继续执行。这样就形成了中断服务程序中套用中断服务程序的情况,即中断嵌套。可嵌套中断的处理流程和中断服务框图如下图所示。
               
               可嵌套中断处理流程
 
       DM
        DM(Delta Modulation)即增量调制,又称ΔM调制,是最简单的有损预测编码方法,早期在数字电话中被采用,是一种最简单的差值脉冲编码。实际的采样信号与预测的采样信号的差的极性若为正,则用1表示,反之则用0表示。由于DM编码只用1位对声音信号进行编码,所以DM系统又称1位系统。
 
       任务调度
        MapReduce将存储和计算资源部署在相同结点上,优先把计算任务调度到数据所在的结点或者就近的结点,这样在进行计算时,大部分的输入数据都能从本地读取,减少了网络带宽的消耗,提高了整个系统的吞吐量。另外,MapReduce对于由于各种原因(例如硬盘出错)造成执行非常慢的子任务采用了备用任务的机制,当MapReduce操作接近完成时,调度备用任务进程来执行剩下的执行非常慢的子任务。
 
       硬件
        硬件是计算机物理设备的总称,也称为硬件设备,通常是电子的、机械的、磁性的或光的元器件或装置,一般分为中央处理器、存储器和输入、输出设备。
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