嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。早期的嵌入式系統(tǒng)硬件核心是各種類型的8位和16位單片機(jī);而近年來(lái)32位處理器以其高性能、低價(jià)格,得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),又出現(xiàn)了另一類數(shù)據(jù)密集處理型芯片DSP。DSP由于其特殊的結(jié)構(gòu)、專門的硬件乘法器和特殊的指令,使其能快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理及滿足各種高實(shí)時(shí)性要求。隨著現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度越來(lái)越高,操作系統(tǒng)已成為嵌入式系統(tǒng)不可缺少的部分。免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng),如 Linux等,隨著自身不斷的改善,得到了飛速的發(fā)展。Linux是一個(gè)免費(fèi)的、強(qiáng)大的、可信賴的、具有可伸縮性與擴(kuò)充性的操作系統(tǒng)。Linux實(shí)現(xiàn)了許多現(xiàn)代化操作系統(tǒng)的理論,并且支持完整的硬件驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與多處理器的架構(gòu),其源碼的公開更有利于操作系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用。

基于上述分析,筆者開發(fā)了基于ARM和DSP芯片的雙核嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用了ARM和DSP的各自特點(diǎn),既可以使用ARM和DSP芯片進(jìn)行協(xié)同開發(fā),也可以利用ARM或DSP進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)。操作系統(tǒng)選用了Linux,以利于充分發(fā)揮系統(tǒng)的效能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

由于ARM芯片的控制性能較強(qiáng),在嵌入式系統(tǒng)中ARM主要用于控制和少量的數(shù)據(jù)處理。這樣,一方面要求CPU要低功耗和有足夠的時(shí)鐘頻率來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng),以滿足便攜式的要求;另一方面也要求其有足夠種類的接口,以利于性能的擴(kuò)展?；谝陨峡紤],在開發(fā)平臺(tái)中選用HY7202作為CPU。

DSP作為數(shù)據(jù)運(yùn)算部分,可以充分發(fā)揮其對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。TI公司的C54xx系列16位定點(diǎn)DSP以其高性價(jià)比普遍應(yīng)用于各類通信、便攜式應(yīng)用當(dāng)中。考慮到對(duì)數(shù)字視頻和數(shù)字圖像等大數(shù)據(jù)吞吐量應(yīng)用場(chǎng)合的處理要求,選用TI公司的TMS320C5416芯片。其時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到 206 MHz,系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示,軟件平臺(tái)分ARM部分和DSP部分,以及ARM和DSP的接口軟件設(shè)計(jì)部分。ARM部分以Hynix公司PATCH的ARM Linux Version 2.4.18為操作系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)之上移植Linux標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)GLIBC、LIBJPG、LIBPNG、IMLIB、LIBWWW、LIBFLASH及漢字庫(kù)。圖形界面以Microwindows 0.9及其控件庫(kù)FLNX提供嵌入式圖形界面平臺(tái)。系統(tǒng)平臺(tái)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能,通過(guò)平臺(tái)WEBSERVER、FTP、TELNET、INETD等網(wǎng)絡(luò)工具和應(yīng)用程序能方便地開發(fā)基于Internet的網(wǎng)絡(luò)終端、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品。在應(yīng)用程序?qū)由?系統(tǒng)平臺(tái)集成窗口管理程序, 全中文化網(wǎng)絡(luò)瀏覽器(支持HTML、XML),Flash播放器(支持Flash4、Flash5、Flash6),文本編輯器,游戲等用于PDA開發(fā), 機(jī)頂盒上網(wǎng)解決方案,以及可用于嵌入式數(shù)據(jù)采集、處理的虛擬示波器等。

DSP部分通過(guò)提供完整的HPI驅(qū)動(dòng)程序(DSP部分)及通信協(xié)議,通過(guò)增加相應(yīng)數(shù)據(jù)處理程控制算法程序,利用HPI并行接口與主機(jī)ARM通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,可用于各種實(shí)時(shí)處理,控制領(lǐng)域。

此外,DSP和ARM可以各自作為獨(dú)立的系統(tǒng)使用,它們均有完整的子系統(tǒng)軟件。子系統(tǒng)之間聯(lián)系的核心是DSP器件本身帶有的HPI接口。

2 ARM和DSP的通信接口設(shè)計(jì)

（1） DSP的HPI口介紹

HPI是TMS320C54X等芯片提供的一種并行端口,專門用于DSP和外部主機(jī)并行通信。HPI接口有標(biāo)準(zhǔn)HPI接口和增強(qiáng)型HPI接口。對(duì)于C5416和C5420DSP器件,它們的主機(jī)接口為增強(qiáng)型主機(jī)接口。標(biāo)準(zhǔn)HPI接口是一個(gè)8位總線接口,通過(guò)2個(gè)8位字節(jié)組合在一起形成1個(gè)16 字。增強(qiáng)型HPI接口分8位和16位兩種。8位增強(qiáng)型主機(jī)接口和標(biāo)準(zhǔn)HPI接口操作時(shí)序一樣,主要區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)型只能訪問(wèn)2 KB專用RAM,而增強(qiáng)型可以訪問(wèn)DSP的整個(gè)RAM區(qū)。16位增強(qiáng)型HPI接口采用16位總線,只要一個(gè)主機(jī)操作就能完成訪問(wèn)操作。

（2） HPI硬件連線

HMS30C7202與TMS320C5416接口電路如圖3所示。系統(tǒng)將HPI接口所有控制寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器統(tǒng)一編址,映射到HMS30C7202物理地址0X0C000000開始的I/O內(nèi)存空間。

利用地址線RA[3:0]產(chǎn)生HPI訪問(wèn)所需的控制信號(hào)。A0與A1決定訪問(wèn)寄存器類型。A2決定訪問(wèn)的是第一個(gè)字節(jié)還是第二個(gè)字節(jié)：A2＝0 時(shí),表示寫入的數(shù)據(jù)為第一個(gè)字節(jié);A2＝1時(shí),表示寫入的數(shù)據(jù)為第二個(gè)字節(jié)。在HPI－8中所有地址線和控制線是在HDS1和HDS2的下降沿采樣,而不是由HR/W決定,因此HR/W通過(guò)地址線A3表示當(dāng)前操作是讀還是寫,而數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)由nRCS3和nRW0相與后共同產(chǎn)生。KSCAN[2]設(shè)置為 HMS30C7202的PORTA中斷輸入腳,DSP通過(guò)中斷方式與Linux底層HPI驅(qū)動(dòng)程序通信。

3 ARM和DSP的通信接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

Linux是Unix操作系統(tǒng)的一種變種。在Linux下編寫驅(qū)動(dòng)程序的原理和思想完全類似于其他的Unix系統(tǒng),但它和DOS或Window 環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序有很大的區(qū)別。Linux驅(qū)動(dòng)程序可以編譯進(jìn)內(nèi)核,也可以模塊形式動(dòng)態(tài)地加入和卸載。Linux的這種特點(diǎn)可根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)裁減內(nèi)核,更適合于嵌入式系統(tǒng)。

（1） Linux驅(qū)動(dòng)程序基本原理

在Linux中所有設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種,所有設(shè)備都看成普通文件,因此可以通過(guò)用操縱普通文件相同的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)打開、關(guān)閉、讀取和寫入設(shè)備。系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備都用一種設(shè)備特殊文件來(lái)表示。

在Linux中,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一組相關(guān)函數(shù)的集合。它包含設(shè)備服務(wù)子程序和中斷處理程序,每個(gè)設(shè)備服務(wù)子程序只處理一種設(shè)備或者緊密相關(guān)的設(shè)備。其目的就是從與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件中接受抽象的命令并執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行一條請(qǐng)求時(shí),具體操作是根據(jù)控制器驅(qū)動(dòng)程序提供的接口,并利用中斷機(jī)制去調(diào)用中斷服務(wù)子程序配合設(shè)備來(lái)完成這個(gè)請(qǐng)求。設(shè)備程序利用結(jié)構(gòu)file_operations與文件系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。在Linux下驅(qū)動(dòng)程序裝載如圖4所示。

（2） HPI驅(qū)動(dòng)程序

HPI接口可用I/O端口方式,也可以用I/O存取方式。系統(tǒng)平臺(tái)采用I/O存取方式,將HPI訪問(wèn)控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器,映射到內(nèi)存物理地址為0X0C000000開始的空間,通過(guò)訪問(wèn)存儲(chǔ)器指令對(duì)HPI進(jìn)行操作。HPI具體物理地址定義如下：

#defineHPI_BASE0X0C000000//HPI基地址
#define HPD_READ_LOWHPI_BASE+0X0012
//讀數(shù)據(jù)寄存器第一字節(jié)
?
#define HPA_WRITE_HIGHHPI_BASE+0X000C
//寫地址寄存器第二字節(jié)

在Linux下,類似Windows,程序不能直接訪問(wèn)物理地址。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分,它像內(nèi)核中其他代碼一樣運(yùn)行在內(nèi)核模式,驅(qū)動(dòng)程序如果出錯(cuò)就會(huì)使系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞,因此需要將物理地址映射到內(nèi)核空間。在Linux下通過(guò)virtul_address=(u32)ioremap (HPI_BASE,HPI_LENGTH)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)程序主要結(jié)構(gòu)如下：

struct file_operations hpi_fops={
owner:THIS_MODULE,
read: hpi_read,
write: hpi_write,
poll : hpi_poll,
open: hpi_open,
release: hpi_release,
};

HPI通信協(xié)議采用幀結(jié)構(gòu),由于增強(qiáng)型HPI接口允許訪問(wèn)DSP內(nèi)部RAM所有空間,系統(tǒng)通信在DSP內(nèi)部分配2 K字(16位)作為幀緩沖區(qū),讀寫各1 K字,協(xié)議采用一位滑動(dòng)窗口協(xié)議。幀格式如表1所列。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了使用ARM和DSP雙CPU構(gòu)成的雙核嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái),以及源代碼開放的Linux作為嵌入式系統(tǒng)中操作系統(tǒng)的方法,給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖,詳細(xì)介紹了ARM和DSP通信接口的設(shè)計(jì)。這一設(shè)計(jì)方法可以適用于大多數(shù)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì),有一定的實(shí)用價(jià)值。