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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�；谝陨峡紤]，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�？紤]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。 圖1.系統整體硬件結構框圖 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。 圖2.系統軟件的總體結構 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。 圖3. DSP和主機雙向通信 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。 圖4.模塊連接到內核示意 （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。 |
