嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統。早期的嵌入式系統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,得到了廣泛的應用。近年來,又出現了另一類數據密集處理型芯片DSP。DSP由于其特殊的結構、專門的硬件乘法器和特殊的指令,使其能快速地實現各種數字信號處理及滿足各種高實時性要求。隨著現代嵌入式系統的復雜度越來越高,操作系統已成為嵌入式系統不可缺少的部分。免費的嵌入式操作系統,如 Linux等,隨著自身不斷的改善,得到了飛速的發展。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。Linux實現了許多現代化操作系統的理論,并且支持完整的硬件驅動程序、網絡通信協議與多處理器的架構,其源碼的公開更有利于操作系統嵌入式應用。
基于上述分析,筆者開發了基于ARM和DSP芯片的雙核嵌入式系統。系統充分利用了ARM和DSP的各自特點,既可以使用ARM和DSP芯片進行協同開發,也可以利用ARM或DSP進行獨立開發。操作系統選用了Linux,以利于充分發揮系統的效能。
1 系統的總體設計
由于ARM芯片的控制性能較強,在嵌入式系統中ARM主要用于控制和少量的數據處理。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,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,在開發平臺中選用HY7202作為CPU。
DSP作為數據運算部分,可以充分發揮其對數字信號處理的獨特優勢。TI公司的C54xx系列16位定點DSP以其高性價比普遍應用于各類通信、便攜式應用當中。考慮到對數字視頻和數字圖像等大數據吞吐量應用場合的處理要求,選用TI公司的TMS320C5416芯片。其時鐘頻率最高可達到 206 MHz,系統總體框圖如圖1所示。
系統軟件平臺結構如圖2所示,軟件平臺分ARM部分和DSP部分,以及ARM和DSP的接口軟件設計部分。ARM部分以Hynix公司PATCH的ARM Linux Version 2.4.18為操作系統,并在此基礎之上移植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。系統平臺具有強大的網絡通信功能,通過平臺WEBSERVER、FTP、TELNET、INETD等網絡工具和應用程序能方便地開發基于Internet的網絡終端、遠程控制、遠程數據采集、遠程數據處理產品。在應用程序層上,系統平臺集成窗口管理程序, 全中文化網絡瀏覽器(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, 機頂盒上網解決方案,以及可用于嵌入式數據采集、處理的虛擬示波器等。
DSP部分通過提供完整的HPI驅動程序(DSP部分)及通信協議,通過增加相應數據處理程控制算法程序,利用HPI并行接口與主機ARM通信進行數據交換,可用于各種實時處理,控制領域。
此外,DSP和ARM可以各自作為獨立的系統使用,它們均有完整的子系統軟件。子系統之間聯系的核心是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。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。系統將HPI接口所有控制寄存器、地址寄存器、數據寄存器統一編址,映射到HMS30C7202物理地址0X0C000000開始的I/O內存空間。
利用地址線RA[3:0]產生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還是第二個字節：A2＝0 時,表示寫入的數據為第一個字節;A2＝1時,表示寫入的數據為第二個字節。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表示當前操作是讀還是寫,而數據鎖存信號由nRCS3和nRW0相與后共同產生。KSCAN[2]設置為 HMS30C7202的PORTA中斷輸入腳,DSP通過中斷方式與Linux底層HPI驅動程序通信。
3 ARM和DSP的通信接口驅動程序設計
Linux是Unix操作系統的一種變種。在Linux下編寫驅動程序的原理和思想完全類似于其他的Unix系統,但它和DOS或Window 環境下的驅動程序有很大的區別。Linux驅動程序可以編譯進內核,也可以模塊形式動態地加入和卸載。Linux的這種特點可根據目標系統裁減內核,更適合于嵌入式系統。
（1） Linux驅動程序基本原理
在Linux中所有設備分為字符設備、塊設備和網絡設備三種,所有設備都看成普通文件,因此可以通過用操縱普通文件相同的系統調用來打開、關閉、讀取和寫入設備。系統中每個設備都用一種設備特殊文件來表示。
在Linux中,設備驅動程序是一組相關函數的集合。它包含設備服務子程序和中斷處理程序,每個設備服務子程序只處理一種設備或者緊密相關的設備。其目的就是從與設備無關的軟件中接受抽象的命令并執行。當執行一條請求時,具體操作是根據控制器驅動程序提供的接口,并利用中斷機制去調用中斷服務子程序配合設備來完成這個請求。設備程序利用結構file_operations與文件系統聯系起來。在Linux下驅動程序裝載如圖4所示。
（2） HPI驅動程序
HPI接口可用I/O端口方式,也可以用I/O存取方式。系統平臺采用I/O存取方式,將HPI訪問控制寄存器、數據寄存器、地址寄存器,映射到內存物理地址為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
//讀數據寄存器第一字節
#define HPA_WRITE_HIGHHPI_BASE+0X000C
//寫地址寄存器第二字節
在Linux下,類似Windows,程序不能直接訪問物理地址。設備驅動程序是內核的一部分,它像內核中其他代碼一樣運行在內核模式,驅動程序如果出錯就會使系統受到嚴重破壞,因此需要將物理地址映射到內核空間。在Linux下通過virtul_address=(u32)ioremap (HPI_BASE,HPI_LENGTH)實現。驅動程序主要結構如下：
struct file_operations hpi_fops={
owner:THIS_MODULE,
read: hpi_read,
write: hpi_write,
poll : hpi_poll,
open: hpi_open,
release: hpi_release,
};
HPI通信協議采用幀結構,由于增強型HPI接口允許訪問DSP內部RAM所有空間,系統通信在DSP內部分配2 K字(16位)作為幀緩沖區,讀寫各1 K字,協議采用一位滑動窗口協議。幀格式如表1所列。
結語
本文介紹了使用ARM和DSP雙CPU構成的雙核嵌入式系統的硬件平臺,以及源代碼開放的Linux作為嵌入式系統中操作系統的方法,給出了系統設計的總體框圖,詳細介紹了ARM和DSP通信接口的設計。這一設計方法可以適用于大多數現代嵌入式系統的設計,有一定的實用價值。