SynthOS 是一種軟件工具，用于創(chuàng)建定制的、優(yōu)化的應(yīng)用特定操作系統(tǒng) （ASOS）。使用項(xiàng)目文件中指定的系統(tǒng)約束和配置信息，SynthOS 分析應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序代碼，并生成包含原始用戶代碼和運(yùn)行特定 ASOS 要求所需的所有代碼的源代碼。

SynthOS 生成的 ASOS 是一個(gè)高效的多任務(wù)內(nèi)核，可以從低端系統(tǒng)中引入新功能，尤其是小型 8 位或 16 位低速處理器，并使其能夠用于高級(jí)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，同時(shí)提供安全性，便攜性和低功耗。由此產(chǎn)生的 ASOS 是一種 unikernel 形式，一種占用空間小、單一地址空間的系統(tǒng)，它越來(lái)越受歡迎，可以直接在虛擬機(jī)管理程序或裸機(jī)系統(tǒng)上高效運(yùn)行。

Kinoma Create，如圖 1 所示，是一個(gè)用于連接設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的硬件和軟件原型系統(tǒng)，基于 Marvell 的 PXA166 處理器。Kinoma Create 旨在與連接環(huán)境中的外部硬件和傳感器一起工作。

圖 1： Kinoma Create 硬件和接口

為了將 Kinoma Create 連接到外部硬件，系統(tǒng)背面有一個(gè) 50 針接口；這些引腳專用于固定功能。該系統(tǒng)還在前面有兩個(gè)相同的 8 引腳接頭，如表 1 中定義，每個(gè) 8 位由兩個(gè) 8 位 Microchip PIC 16 MCU 之一控制，這些 8 位 Microchip PIC 16 MCU 作為通用 I/O （GPIO） 處理器運(yùn)行。使用與這些 GPIO 通信的內(nèi)置 Front Pin 應(yīng)用程序?qū)⑦@些引腳的功能動(dòng)態(tài)分配給物理引腳。該項(xiàng)目的目標(biāo)是為兩個(gè) GPIO 開(kāi)發(fā)代碼，這些 GPIO 可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè) I/O 接口，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，但仍適合 PIC 15 MCU 的 4 KB 閃存和 256 字節(jié) RAM。

前面板接口上的任何引腳都可以支持表中所示的功能。

表 1： Kinoma Create Front Pin 功能

硬件架構(gòu)

硬件架構(gòu)如圖 2 所示。PIC16 是一款小巧但功能強(qiáng)大的 MCU，具有復(fù)雜的接口和配置設(shè)置。Kinoma Create 使用兩個(gè) PIC16F1508 微控制器，每個(gè)都具有以下特性：

· 中檔指令集：48 條指令，16 層堆棧

· 閃存程序存儲(chǔ)器：4 KB

· RAM：256字節(jié)

· 振蕩器：16 MHz

· PWM：四個(gè)獨(dú)立

· ADC轉(zhuǎn)換器：12通道10位

· DAC：5位

· 定時(shí)器：2個(gè)8位，1個(gè)16位

控制器的時(shí)鐘來(lái)自內(nèi)部 16 MHz 時(shí)鐘。在 4 個(gè)周期/命令下，它相當(dāng)于 4 MIPS。與主處理器的通信通過(guò)硬件 I 2 C 接口進(jìn)行。

圖 2： SynthOS-Kinoma 創(chuàng)建項(xiàng)目框圖

軟件架構(gòu)

鑒于 PIC16 處理器在內(nèi)存空間和處理速度方面的限制，SynthOS 適合該項(xiàng)目。SynthOS 創(chuàng)建的 ASOS 在內(nèi)存使用、處理器能力和速度方面非常高效。它對(duì)于像 Kinoma Create 中使用的 Microchip 設(shè)備這樣的小型 MCU 也很有用。SynthOS 允許在 C 中編寫代碼。當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要調(diào)用另一個(gè)任務(wù)或等待另一個(gè)任務(wù)完成時(shí)，會(huì)插入 SynthOS 識(shí)別的特殊代碼行，稱為“原語(yǔ)”。

然后在所有任務(wù)代碼上運(yùn)行 SynthOS，將每個(gè)任務(wù)的適當(dāng)信號(hào)量和標(biāo)志插入到代碼中的適當(dāng)位置。SynthOS 還創(chuàng)建了任務(wù)管理代碼來(lái)安排任務(wù)并管理相關(guān)的標(biāo)志和信號(hào)量。SynthOS-Kinoma Create Project 的軟件架構(gòu)如圖 3 所示。

圖 3： SynthOS-Kinoma Create Project 軟件功能框圖

系統(tǒng)初始化

System Init 模塊在上電、復(fù)位和任何其他初始化條件時(shí)設(shè)置系統(tǒng)配置和硬件配置。I 2 C 主機(jī)通信模塊是系統(tǒng)中的主要任務(wù)。它與主機(jī)通信，從中獲取配置信息和數(shù)據(jù)，并在響應(yīng)主機(jī)請(qǐng)求時(shí)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)。它使用 PIC 的集成 I 2 C 機(jī)制。來(lái)自主機(jī)的數(shù)據(jù)分為兩類：沒(méi)有約束的數(shù)據(jù)和需要根據(jù)一組允許值進(jìn)行驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。后面的數(shù)據(jù)被保存到一組影子寄存器中，并在影子寄存器模塊中處理。

從主機(jī)發(fā)送的一些數(shù)據(jù)會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)或與其他數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。此類數(shù)據(jù)保存在影子寄存器模塊中的一組影子寄存器中，并與相應(yīng)寄存器的允許值進(jìn)行比較。只有在驗(yàn)證為允許值后才會(huì)加載到寄存器中并在系統(tǒng)中生效。如果系統(tǒng)在影子寄存器的數(shù)據(jù)中檢測(cè)到錯(cuò)誤，它不會(huì)將該數(shù)據(jù)加載到相應(yīng)的寄存器中，但會(huì)指示錯(cuò)誤。

模擬輸入和 A/D 模塊處理模擬輸入。該模塊使用 PIC 的內(nèi)部 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主機(jī)可以通過(guò) I 2 C 接口檢索的寄存器中。

數(shù)字 I/O 端口管理器

數(shù)字 I/O 端口管理器模塊處理數(shù)字 I/O 端口狀態(tài)和 I/O。此功能在此模塊和其他一些模塊之間劃分。在驗(yàn)證設(shè)置之間沒(méi)有沖突（例如，同時(shí)定義為電源和接地的引腳）之后，在影子寄存器模塊中將引腳設(shè)置為電源、接地或 NC。

PWM 端口管理器模塊控制脈寬調(diào)制 （PWM） 輸出，并在中斷服務(wù)程序 （ISR） 中執(zhí)行。PWM 使用兩個(gè)寄存器定義，第一個(gè)定義周期時(shí)間，第二個(gè)定義周期時(shí)間內(nèi)信號(hào)為高電平的時(shí)間段。PWM 機(jī)制依靠定時(shí)器中斷來(lái)生成所需的波形。由于 PIC 的功能有限，系統(tǒng)僅限于三個(gè) PWM 輸出。

在帶外圍設(shè)備的 I 2 C 模塊中，PIC 是 I 2 C 網(wǎng)絡(luò)上的主設(shè)備。時(shí)鐘和數(shù)據(jù)由 PIC 通過(guò)旋轉(zhuǎn)引腳上的位來(lái)模擬 I 2 C 協(xié)議生成。如果需要，系統(tǒng)可以發(fā)送單字節(jié)數(shù)據(jù)消息或進(jìn)行緩沖區(qū)傳輸。

中斷服務(wù)程序 （ISR）

PIC 的有限功能和中斷支持架構(gòu)需要偏離標(biāo)準(zhǔn)的帶有 SynthOS 的 ISR 實(shí)現(xiàn)。PIC 實(shí)際上只有一個(gè)中斷向量，所有中斷都指向同一個(gè)地址。檢測(cè)活動(dòng)中斷并做出響應(yīng)是固件的責(zé)任。該架構(gòu)要求固件在退出 ISR 和重置中斷標(biāo)志之前支持中斷。出于這個(gè)原因，該系統(tǒng)在 ISR 中執(zhí)行主機(jī) I 2 C 和 PWM 以最小化代碼大小并最大化性能。

ASOS 管理系統(tǒng)的不同任務(wù)并讓它們并行運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率。SynthOS 將任務(wù)定義為 Init Task、Loop Task、Call Task 或 ISR，并且必須在項(xiàng)目文件中指定系統(tǒng)中的每種任務(wù)類型。我們創(chuàng)建了一個(gè)項(xiàng)目文件來(lái)指定每個(gè)任務(wù)的類型及其屬性，例如任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和頻率，所有這些都顯示在清單中。

圖 4：顯示 SynthOS-Kinoma Create 項(xiàng)目文件的清單。

接下來(lái)，我們將描述 SynthOS-Kinoma 創(chuàng)建項(xiàng)目的任務(wù)。初始化任務(wù)在軟件初始化期間執(zhí)行一次。由于這個(gè)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且由于內(nèi)存限制，我們將所有系統(tǒng)初始化都移到了一個(gè)任務(wù)中。該任務(wù)包括系統(tǒng)配置、中斷設(shè)置和變量初始化。

循環(huán)任務(wù)

循環(huán)任務(wù)由 ASOS 使用 SynthOS 項(xiàng)目文件中選擇的調(diào)度程序定義的算法定期執(zhí)行。由于 PIC 的內(nèi)存有限，我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中只使用 Loop Tasks，這也簡(jiǎn)化了配置文件和 SynthOS 生成的調(diào)度程序。

I 2 C Master 任務(wù)管理與主機(jī)在 I2C 總線上的通信。影子任務(wù)通過(guò)使用影子寄存器驗(yàn)證來(lái)自主機(jī)處理器的信息，并且只有在影子寄存器中的數(shù)據(jù)被驗(yàn)證后才更新系統(tǒng)配置和數(shù)據(jù)。

模擬輸入任務(wù)在后臺(tái)運(yùn)行，從主機(jī)指定的端口讀取模擬輸入并將其保存在共享內(nèi)存中。調(diào)用任務(wù)是不執(zhí)行的，除非它是由正在執(zhí)行的任務(wù)專門啟動(dòng)的。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，我們沒(méi)有使用任何調(diào)用任務(wù)。

中斷服務(wù)程序在中斷發(fā)生時(shí)執(zhí)行，就像在典型的嵌入式系統(tǒng)中一樣。系統(tǒng)中的 ISR 或者是用于 PWM 的定時(shí)器中斷，它根據(jù)主機(jī)處理器定義的占空比管理 PWM 時(shí)序，或者是管理與主機(jī)處理器通信的 I 2 C 主機(jī)中斷。

使用 SynthOS 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)后，GPIO 可以按預(yù)期工作，允許多個(gè) I/O 同時(shí)運(yùn)行而不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)，支持多個(gè) A/D 和數(shù)字 I/O、多達(dá)四個(gè) PWM，以及一個(gè) I 2 C 接口八個(gè)引腳，僅由一個(gè) PIC MCU 支持。考慮到功能，系統(tǒng)內(nèi)存利用率在 3360 字節(jié)閃存（82% 利用率）和 198 字節(jié) RAM（77% 利用率）下非常高效。

審核編輯：郭婷