ARM和DSP芯片的雙核嵌入式系統(tǒng)的總體設(shè)計

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;而近年來32位處理器以其高性能、低價格,得到了廣泛的應(yīng)用。近年來,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,使其能快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理及滿足各種高實時性要求。隨著現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高,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是一個免費的、強大的、可信賴的、具有可伸縮性與擴充性的操作系統(tǒng)。Linux實現(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,既可以使用ARM和DSP芯片進行協(xié)同開發(fā),也可以利用ARM或DSP進行獨立開發(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

由于ARM芯片的控制性能較強,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鐘頻率來運行操作系統(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,以利于性能的擴展。基于以上考慮,在開發(fā)平臺中選用HY7202作為CPU。

DSP作為數(shù)據(jù)運算部分,可以充分發(fā)揮其對數(shù)字信號處理的獨特優(yōu)勢。TI公司的C54xx系列16位定點DSP以其高性價比普遍應(yīng)用于各類通信、便攜式應(yīng)用當(dāng)中?？紤]到對數(shù)字視頻和數(shù)字圖像等大數(shù)據(jù)吞吐量應(yīng)用場合的處理要求,選用TI公司的TMS320C5416芯片。其時鐘頻率最高可達到 206 MHz,系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示,軟件平臺分ARM部分和DSP部分,以及ARM和DSP的接口軟件設(shè)計部分。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標準庫GLIBC、LIBJPG、LIBPNG、IMLIB、LIBWWW、LIBFLASH及漢字庫。圖形界面以Microwindows 0.9及其控件庫FLNX提供嵌入式圖形界面平臺。系統(tǒng)平臺具有強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能,通過平臺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、遠程控制、遠程數(shù)據(jù)采集、遠程數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品。在應(yīng)用程序?qū)由?系統(tǒng)平臺集成窗口管理程序, 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部分通過提供完整的HPI驅(qū)動程序(DSP部分)及通信協(xié)議,通過增加相應(yīng)數(shù)據(jù)處理程控制算法程序,利用HPI并行接口與主機ARM通信進行數(shù)據(jù)交換,可用于各種實時處理,控制領(lǐng)域。

此外,DSP和ARM可以各自作為獨立的系統(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

(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和外部主機并行通信。HPI接口有標準HPI接口和增強型HPI接口。對于C5416和C5420DSP器件,它們的主機接口為增強型主機接口。標準HPI接口是一個8位總線接口,通過2個8位字節(jié)組合在一起形成1個16 字。增強型HPI接口分8位和16位兩種。8位增強型主機接口和標準HPI接口操作時序一樣,主要區(qū)別在于標準型只能訪問2 KB專用RAM,而增強型可以訪問DSP的整個RAM區(qū)。16位增強型HPI接口采用16位總線,只要一個主機操作就能完成訪問操作。

(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訪問所需的控制信號。A0與A1決定訪問寄存器類型。A2決定訪問的是第一個字節(jié)還是第二個字節(jié)：A2=0 時,表示寫入的數(shù)據(jù)為第一個字節(jié);A2=1時,表示寫入的數(shù)據(jù)為第二個字節(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通過中斷方式與Linux底層HPI驅(qū)動程序通信。

3 ARM和DSP的通信接口驅(qū)動程序設(shè)計

Linux是Unix操作系統(tǒng)的一種變種。在Linux下編寫驅(qū)動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)動程序有很大的區(qū)別。Linux驅(qū)動程序可以編譯進內(nèi)核,也可以模塊形式動態(tài)地加入和卸載。Linux的這種特點可根據(jù)目標系統(tǒng)裁減內(nèi)核,更適合于嵌入式系統(tǒng)。

(1) Linux驅(qū)動程序基本原理

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,因此可以通過用操縱普通文件相同的系統(tǒng)調(diào)用來打開、關(guān)閉、讀取和寫入設(shè)備。系統(tǒng)中每個設(shè)備都用一種設(shè)備特殊文件來表示。

在Linux中,設(shè)備驅(qū)動程序是一組相關(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)行一條請求時,具體操作是根據(jù)控制器驅(qū)動程序提供的接口,并利用中斷機制去調(diào)用中斷服務(wù)子程序配合設(shè)備來完成這個請求。設(shè)備程序利用結(jié)構(gòu)file_operations與文件系統(tǒng)聯(lián)系起來。在Linux下驅(qū)動程序裝載如圖4所示。

(2) HPI驅(qū)動程序

HPI接口可用I/O端口方式,也可以用I/O存取方式。系統(tǒng)平臺采用I/O存取方式,將HPI訪問控制寄存器、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,通過訪問存儲器指令對HPI進行操作。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,程序不能直接訪問物理地址。設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分,它像內(nèi)核中其他代碼一樣運行在內(nèi)核模式,驅(qū)動程序如果出錯就會使系統(tǒng)受到嚴重破壞,因此需要將物理地址映射到內(nèi)核空間。在Linux下通過virtul_address=(u32)ioremap (HPI_BASE,HPI_LENGTH)實現(xiàn)。驅(qū)動程序主要結(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),由于增強型HPI接口允許訪問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)議采用一位滑動窗口協(xié)議。幀格式如表1所列。