在晶心平台运行具 OSC 的 FreeRTOS

晶心科技设计 IP 的目的，是满足客户实际需求，提供低功耗高效率的产品 给客户，让客户可以做出极具竞争力的 SoC，达到客户与晶心科技双赢的目的， 本文介绍具 OSC 的 FreeRTOS 产品，巧妙地与 AndesCore™结合，客户导入产品 后，具竞争力与实用性，本文的目的是期望能够让更多的读者清楚这个产品的特 性与优势进而使用此产品。

某些电子产品的应用是不同的时间需要运行不同的功能，这时需要大空间的 ROM  与  RAM  来存放在运行时会用到的各式各样的功能。因为 CPU 同时间只 会运行一种功能。所以在务实与经济的考虑下可以使用 overlay 的方式来满足此 类型产品的需求，将大幅降低 RAM 空间的使用，让硬件成本降低，使得产品竞 争力大大的提升。达成 overlay 的方式有两种，纯软件 overlay 与硬件加速  overlay。 纯软件的 overlay 不需增加硬件，但软件工程师写程序时需自己配置 functions 摆 放的位置，容易出错；呼叫 functions 时需要经过额外的处理，降低程序效能。 因此纯软件的方法多用于只需偶尔更换 overlay 的应用。例如 audio player，一条 歌播完，下一条开始前，才需要检查是否要用不同 decoder。我们有另一篇文章 针对软件 overlay 做介绍，本文不多加探讨。

硬件加速的  overlay  使用少许硬 件 ， gate  count  <  2K  (OSC,  Overlay  SRAM Controller)，提供软件透明的 overlay 处理。软件工程师写程序时，可以假设有一 个很大的连续程序空间，完全不需配置 functions 摆放的位置，这大大增加开发 程序的效率；同时，呼叫 functions 时完全没有任何纯软件方式的 overhead。上 述之 OSC 优点可以符合客户这类的需求，如果客户系统复杂，要做的事比较多， 需要用到多任务（Multi-tasking），则晶心科技「支援 OSC 的 FreeRTOS 产品」 就是最佳解方案。

1. Andes OSC  工作原理

先设定AndesCore™ NCEOSC100 IP中寄存器，再与运行软件做整合搭配， 即可执行OSC的功能。

1.1 设定 OSC IP 的寄存器与动作解说

■   OSC Control Register, OSCCTRL (+0x00)

■   OVL_SZ: 3’h4 (16KB) RO/WI

■   OVL_VALID: 0

■   Fixed Region Size Register, OVLFS (+0x04)

■   OVL_FSZ: 8’h18 (96KB)    RW

■   Overlay Region Base Register, OVLBASE (+0x08)

■   Overlay Region End Register, OVLEND (+0x0C)

在OSC设计中SRAM分为两个区域，一个是”fixed region” ，另一个是 “overlay region”，fixed region  为低地址的  SRAM  ，其大小由OVLFS  寄存器设 定。  overlay region  是一个动态的区域，其地址由OVLBASE寄存器设定，大小 由  OVL_SZ 设定。当CPU运行时存取地址落在寄存器  OVLBASE与OVLEND之 间时OSC将自动转址到SRAM的overlay region内，如图1所示。

因应实际需求设定多个Overlay  区域，当发 生  ”Overlay  Miss”  时 ，经由 Overlay Exception的机制与软件的搭配，可以将storage 中的  overlay   page N  复 制到 SRAM 中的Overlay Region，如图1所示。关于overlay page 置换的工作原 理将于下两个章节中做说明。

图 1. Overlay 范例说明

CPU运行时存取地址不在fixed region  或是当时有效的  overlay page  时，会 发生 Overlay  Miss 。当 Overlay  Miss  发 生时 OSC 会产 生 illegal  instruction (32’hcoddcodd)造成general exception。因为也有其他原因会产生general exception， 如何区分出overlay miss  与其他general exception，将于下个章节说明。

1.2 Overlay Exception 侦测

当进入  general  exception  时可透过软件检验下列程序来判断是否为overlay miss:

Step 1 如果  interrupt level  已经到达最大值  (PSW.INTL == Max INTL)  ，这是  fetal error 不是overlay miss。

Step 2 必须是ITYPE.EYPE==1，才有机会是overlay miss。

Step 3  检查IPC值，如果是落在fixed region  或是当时有效的  overlay page 时 这是真 正的  illegal  exception  case.  如果 不 是在这 两个 区域 则是 overlay miss。

经过前面3步骤验证，如果确定是overlay miss  ，则可进行Overlay exception handling 的动作。

1.3 执行 Overlay Exception Handling 的动作

确定  overlay miss  后，做更新overlay region的动作。

Step 1 得到新的overlay region  地址:

-    从IPC得到更新overlay page的起始位置。

-    更新OVLBASE  寄存器。

Step 2 更新的overlay page内容复制到  SRAM  中的overlay region

Step 3 最后执行iret返回overlay miss发生时的地址。

2. 具 OSC 的 FreeRTOS 介绍

Andes 结合OSC 与 FreeRTOS设计出具 OSC的FreeRTOS ，OSC的功能与 原理已经于上个章节介绍，本章节将说明具 OSC的FreeRTOS与一般FreeRTOS 的差异处，并列举范例程序的运行，展现OSC与FreeRTOS的功能。

2.1 具OSC的FreeRTOS内存配置

具OSC的FreeRTOS其内存配置如图2，范例程序的linker script设定了LMA(系 统image)的内存配置模式，其中loverlay0, overlay1  与  overlay2是仿真  storage 的 地址。linker script 设定VMA(系统执行时)的内存配置模式，当系统运行进入 overlay1,  2...  时产生overlay  miss  触发  exception  将overlayN 内的 数据复制到 overlay region  中，这样的设计达到一份Overlay Region  的SRAM空间可以在不同 时间执行对应不同的overlayN程序代码的目的。

图 2.具 OSC 的 FreeRTOS 内存配置图

2.2 osc_hisr task

从图2的overlay0, 1, 2 中可以发现系统会运行task1与task2。说明FreeRTOS 做overlay region置换时也会执行scheduler 做置换task 的工作。本范例程序设计 是在standard FreeRTOS 中增加一个 osc_hisr task 做overlay region 置换与管理 的工作。如何达到OSC 与  osc_hisr task的结合需从Overlay Exception Handling的 动作开始研讨:

●    当 overlay exception  被触发时，送 message 给  queue 启动  osc_hisr task。

●    因为 osc_hisr task  做 overlay region  资料的置换，所以 osc_hisr task  尚未执 行完成前，不可以执行 Overlay Exception Handling 的  iret.

osc_hisr task  的主要工作在:

●    Map overlay region

●    overlay region  数据的复制。

osc_hisr task  设计的原则:

●    此 task  必须是最高 priority task.

●    此  task 必须放在 fixed region.

2.3 范例程序运行

具 OSC 的 FreeRTOS  在 Andes EVB 上直接运行得到的结果如图 3，范例程 序中键入 3 时，是进行 task 转换，因为不同 task 运行相对应的 overlay function 从 console task  转成 task1  再转成 task2 也会产生相对应的 page fault 执行 osc_hisr task。由图 3 红色箭头与数字转变可以得知 task 转换启动 function  overlay 运作， 从此范例程序中可同时验证 OSC 与 FreeRTOS 两者的功能。

图 3.范例程序执行结果

3.  结语

本文第一章说明 Andes OSC 的工作原理与功能，第二章说明 FreeRTOS 如何 与 Andes  OSC 整合运作，在 OSC 的 FreeROTS 中也增加一个最高 priority task “osc_hisr” 来执行 OSC 相对应的功能，进而说明了具 OSC 的 FreeRTOS 需注意 的设计原则，具 OSC 之 FreeRTOS 是由软件与硬件单元所组成，兼具硬件的效 能与软件的弹性。

已经有业界客户取得 Andes 具 OSC 之 FreeRTOS，开发出具竞争力产品在市 面上销售，由此可知具 OSC 之 FreeRTOS 具有经济实用的价值，可以协助客户 在使用 AndesCore™时，设计出具有弹性且高附加价值之产品。