DSP／BIOS在數(shù)字監(jiān)測(cè)接收機(jī)中的應(yīng)用

引言
    隨著通信與信息技術(shù)的不斷發(fā)展及數(shù)字產(chǎn)品的普及，DSP被越來(lái)越多地應(yīng)用于各種數(shù)字系統(tǒng)中。美國(guó)德州儀器(TI)公司于20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)了能在其DSP產(chǎn)品上運(yùn)行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核DSP／BIOS，并提出一系列DSP軟件實(shí)施方案來(lái)加速應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)程。
    本文將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字監(jiān)測(cè)接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用TI公司的TMS320DM6437為核心處理器，以DSP／BIOS操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，通過(guò)芯片支持庫(kù)和應(yīng)用程序構(gòu)建成一個(gè)完整的數(shù)字監(jiān)測(cè)接收機(jī)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)接收機(jī)通過(guò)周期地掃描給定頻段，利用頻譜分析測(cè)量頻譜占用度、頻率發(fā)射類(lèi)型、帶寬和載干比等參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。

1 DSP／BIOS
    針對(duì)TI公司的TMS320系列數(shù)字信號(hào)處理器，DSP／BIOS為開(kāi)發(fā)者提供一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)解決方案。DSP／BIOS是一個(gè)功能豐富、可擴(kuò)展的內(nèi)核服務(wù)集，開(kāi)發(fā)人員可以用來(lái)管理系統(tǒng)級(jí)的資源和構(gòu)建DSP應(yīng)用的基礎(chǔ)架構(gòu)。在DSP／BIOS的協(xié)助下，開(kāi)發(fā)人員可以拋開(kāi)底層開(kāi)發(fā)的困擾，從而專(zhuān)注于算法實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)集成。
    DSP／BIOS是一個(gè)可剪裁的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要由3部分組成：多線程實(shí)時(shí)內(nèi)核、實(shí)時(shí)分析工具和芯片支持庫(kù)。多線程實(shí)時(shí)內(nèi)核維護(hù)調(diào)度多線程的運(yùn)行，負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度及時(shí)間輪詢(xún)算法的實(shí)現(xiàn)；實(shí)時(shí)分析工具提供線程算法實(shí)時(shí)運(yùn)行的情況，方便用戶(hù)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性；芯片支持庫(kù)負(fù)責(zé)管理外設(shè)資源，利用圖形工具便可完成復(fù)雜的外設(shè)寄存器初始化配置。
1．1 多線程實(shí)時(shí)內(nèi)核
    DSP／BIOS設(shè)計(jì)的主要目的是降低存儲(chǔ)器需求的空間和CPU響應(yīng)時(shí)間。這種設(shè)計(jì)有利于縮減程序代碼量，提高系統(tǒng)模塊化程度，降低指令的執(zhí)行周期以及實(shí)現(xiàn)后臺(tái)任務(wù)間的通信和管理。
1．2 實(shí)時(shí)分析工具
    DSP／BIOS的實(shí)時(shí)分析工具能實(shí)時(shí)捕獲和顯示數(shù)據(jù)，這對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)階段診斷系統(tǒng)和查找系統(tǒng)缺陷非常有幫助。實(shí)時(shí)分析工具主要包含兩方面的內(nèi)容：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換(RTDX)功能和面板工具插件。實(shí)時(shí)分析工具是在DSP空閑周期內(nèi)完成與目標(biāo)應(yīng)用程序間的通信，因此不會(huì)影響應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性。
1．3 芯片支持庫(kù)
    在DSP系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，一般會(huì)涉及大量對(duì)片上外設(shè)的操作，往往要消耗過(guò)多的時(shí)間和精力。TI公司為5000系列和6000系列的DSP提供了各自的芯片支持庫(kù)CSL(Chip Support Library)。CSL庫(kù)函數(shù)主要用于配置和控制DSP片上外設(shè)，使片上外設(shè)更容易使用，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，增強(qiáng)可移植性。用CSL來(lái)配置和管理DSP的硬件外設(shè)模塊，可以使固件程序的開(kāi)發(fā)變得更加方便和快捷。

2 數(shù)字監(jiān)測(cè)接收機(jī)系統(tǒng)
2．1 數(shù)字監(jiān)測(cè)接收機(jī)系統(tǒng)分析
    數(shù)字監(jiān)測(cè)接收機(jī)工作原理如圖1所示。數(shù)字監(jiān)測(cè)接收機(jī)由標(biāo)準(zhǔn)源、調(diào)諧器、中頻數(shù)字信號(hào)處理器和電源等模塊組成。接收機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)工作站相連，計(jì)算機(jī)工作站完成信號(hào)顯示、對(duì)接收機(jī)輸出信號(hào)的進(jìn)一步處理，以及對(duì)接收機(jī)的配置及控制。

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    中頻數(shù)字信號(hào)處理器是系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行中頻數(shù)字化處理。其中包括FPGA實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)高速采樣、數(shù)字DDC(Direct Digital Control，直接數(shù)字控制)和DSP完成中頻／視頻PSD處理，以及信號(hào)解調(diào)、ITU測(cè)試等工作。
    DSP需要利用DSP／BIOS操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：接收FPGA數(shù)字下變頻后的中頻數(shù)據(jù)，配置FPGA數(shù)字下變頻參數(shù)，測(cè)量射頻參數(shù)和信號(hào)頻譜，解調(diào)數(shù)字／模擬調(diào)制信號(hào)，打包處理數(shù)據(jù)，解析網(wǎng)絡(luò)命令等。其基本框架如圖2所示。

     針對(duì)以上分析，系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)建10個(gè)任務(wù)。其中，DDC數(shù)據(jù)接收為硬中斷任務(wù)，系統(tǒng)狀態(tài)切換和打包處理數(shù)據(jù)啟用軟中斷任務(wù)，其余皆為可搶占任務(wù)。由于DSP／BIOS采用多任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度，在RTOS中當(dāng)前處理的任務(wù)設(shè)置為優(yōu)先級(jí)最高，處理完成后將其優(yōu)先級(jí)降低使得其他任務(wù)能夠工作。網(wǎng)絡(luò)命令接收和解析網(wǎng)絡(luò)命令享有最高優(yōu)先級(jí)；DDC參數(shù)配置優(yōu)先級(jí)次之；測(cè)量射頻參數(shù)、測(cè)量信號(hào)頻譜和解調(diào)信號(hào)采用相同的優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先級(jí)最低。任務(wù)之間通過(guò)消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)共用數(shù)據(jù)互斥訪問(wèn)。
2. 2 DSP／BIOS設(shè)置
    根據(jù)系統(tǒng)需求，利用DSP／BIOS配置工具配置中斷和任務(wù)。在系統(tǒng)中對(duì)參數(shù)的設(shè)定直接影響到系統(tǒng)的執(zhí)行情況，特別是對(duì)各個(gè)對(duì)象的堆棧設(shè)置，如果分配不合理，將會(huì)造成在程序執(zhí)行過(guò)程中數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重時(shí)將給系統(tǒng)帶來(lái)災(zāi)難性破壞。
    由于系統(tǒng)需要通過(guò)時(shí)間片輪詢(xún)的方式滿(mǎn)足RTOS多任務(wù)調(diào)度的需求，需要通過(guò)配置工具配置一個(gè)周期函數(shù)管理(PRD)。其作用是在指定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行某一個(gè)任務(wù)，若超出此時(shí)間，則將當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行掛起轉(zhuǎn)而執(zhí)行同等優(yōu)先級(jí)的其他任務(wù)。該任務(wù)通過(guò)DSP／BIOS提供的TSK_yield來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    系統(tǒng)還需配置時(shí)間標(biāo)志管理(Event Log Manager)來(lái)將當(dāng)前調(diào)試信息實(shí)時(shí)打印輸出，方便系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)。每個(gè)任務(wù)都有自己的緩沖空間，任務(wù)間通過(guò)信號(hào)量和消息郵箱進(jìn)行互斥訪問(wèn)公共資源，達(dá)到系統(tǒng)協(xié)同合作的目的。
     DSP／BIOS配置如圖3所示。

    需要指出的是，測(cè)量射頻參數(shù)任務(wù)、測(cè)量信號(hào)頻譜任務(wù)和解調(diào)信號(hào)任務(wù)采用相同的優(yōu)先級(jí)，其任務(wù)配置并未在配置工具中設(shè)置，而是在代碼中通過(guò)TaskCreate()函數(shù)動(dòng)態(tài)建立的，提高了系統(tǒng)配置的靈活性和實(shí)用性。

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3 結(jié)果分析
3．1 任務(wù)調(diào)度
    在DSP／BIOS中，可以通過(guò)線程執(zhí)行圖分析各個(gè)線程的執(zhí)行情況。本系統(tǒng)的線程執(zhí)行圖如圖4所示。

    從圖中可以看出數(shù)據(jù)處理任務(wù)(Other Threads，通過(guò)TaskCreate函數(shù)建立)和網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)(prdNdk)的執(zhí)行順序。系統(tǒng)先啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)接收原始數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)后，通過(guò)任務(wù)調(diào)度切換至網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，從而完成了數(shù)據(jù)處理任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)的正常切換。
3．2 日志分析
    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)在代碼中動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，不能通過(guò)線程執(zhí)行圖分析，只能通過(guò)日志分析標(biāo)注當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。日志記錄圖如圖5所示。4個(gè)數(shù)據(jù)處理任務(wù)具有相同的優(yōu)先級(jí)，不能搶占其他任務(wù)的資源，只能按照一定的順序輪詢(xún)執(zhí)行。從圖中可以看出，系統(tǒng)能正常地完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

結(jié)語(yǔ)
    本文利用DSP／BIOS操作系統(tǒng)對(duì)數(shù)字監(jiān)測(cè)接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用時(shí)間片輪詢(xún)方式在任務(wù)間實(shí)施調(diào)度。該方案已應(yīng)用在實(shí)際的工程中，通過(guò)DSP／BIOS分析工具可知該數(shù)字監(jiān)測(cè)接收機(jī)系統(tǒng)能夠在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的情況下正常穩(wěn)定地工作，且設(shè)計(jì)和資源分配得到了正確的應(yīng)用。