ARM/DSP雙核系統的通信接口設計

引 言

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(lèi)型的8位和16位單片機;而近年來(lái)32位處理器以其高性能、低價(jià)格，得到了廣泛的應用。近年來(lái)，又出現了另一類(lèi)數據密集處理型芯片DSP。 DSP由于其特殊的結構、專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地實(shí)現各種數字信號處理及滿(mǎn)足各種高實(shí)時(shí)性要求。隨著(zhù)現代嵌入式系統的復雜度越來(lái)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(zhù)自身不斷的改善，得到了飛速的發(fā)展。Linux是一個(gè)免費的、強大的、可信賴(lài)的、具有可伸縮性與擴充性的操作系統。Linux實(shí)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(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議與多處理器的架構，其源碼的公開(kāi)更有利于操作系統嵌入式應用。

基于上述分析，筆者開(kāi)發(fā)了基于A(yíng)RM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(diǎn)，既可以使用ARM和DSP芯片進(jìn)行協(xié)同開(kāi)發(fā)，也可以利用ARM或DSP進(jìn)行獨立開(kāi)發(fā)。操作系統選用了Linux，以利于充分發(fā)揮系統的效能。

1 系統的總體設計

由于A(yíng)RM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(shí)鐘頻率來(lái)運行操作系統，以滿(mǎn)足便攜式的要求;另一方面也要求其有足夠種類(lèi)的接口，以利于性能的擴展?；谝陨峡紤]，在開(kāi)發(fā)平臺中選用HY7202作為CPU。

DSP作為數據運算部分，可以充分發(fā)揮其對數字信號處理的獨特優(yōu)勢。TI公司的C54xx系列16位定點(diǎn)DSP以其高性?xún)r(jià)比普遍應用于各類(lèi)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(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(wǎng)絡(luò )通信功能，通過(guò)平臺WEBSERVER、FTP、TELNET、INETD等網(wǎng)絡(luò )工具和應用程序能方便地開(kāi)發(fā)基于Internet的網(wǎng)絡(luò )終端、遠程控制、遠程數據采集、遠程數據處理產(chǎn)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(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(kāi)發(fā)，機頂盒上網(wǎng)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(guò)提供完整的HPI驅動(dòng)程序(DSP部分)及通信協(xié)議，通過(guò)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(jìn)行數據交換，可用于各種實(shí)時(shí)處理，控制領(lǐng)域。

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

2 ARM和DSP的通信接口設計

(1) DSP的HPI口介紹

HPI是TMS320C54X等芯片提供的一種并行端口，專(zhuān)門(mén)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(gè)8位總線(xiàn)接口，通過(guò)2個(gè)8位字節組合在一起形成1個(gè)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(shí)序一樣，主要區別在于標準型只能訪(fǎng)問(wèn)2 KB專(zhuān)用RAM，而增強型可以訪(fǎng)問(wèn)DSP的整個(gè)RAM區。16位增強型HPI接口采用16位總線(xiàn)，只要一個(gè)主機操作就能完成訪(fǎng)問(wèn)操作。

(2) HPI硬件連線(xiàn)

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(kāi)始的I/O內存空間。

圖3DSP和主機雙向通信

利用地址線(xiàn)RA[3:0]產(chǎn)生HPI訪(fǎng)問(wèn)所需的控制信號。A0與A1決定訪(fǎng)問(wèn)寄存器類(lèi)型。A2決定訪(fǎng)問(wèn)的是第一個(gè)字節還是第二個(gè)字節：A2=0時(shí)，表示寫(xiě)入的數據為第一個(gè)字節;A2=1時(shí)，表示寫(xiě)入的數據為第二個(gè)字節。在HPI-8中所有地址線(xiàn)和控制線(xiàn)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(xiàn)A3表示當前操作是讀還是寫(xiě)，而數據鎖存信號由nRCS3和nRW0相與后共同產(chǎn)生。KSCAN[2]設置為 HMS30C7202的PORTA中斷輸入腳，DSP通過(guò)中斷方式與Linux底層HPI驅動(dòng)程序通信。

3 ARM和DSP的通信接口驅動(dòng)程序設計

Linux是Unix操作系統的一種變種。在Linux下編寫(xiě)驅動(dòng)程序的原理和思想完全類(lèi)似于其他的Unix系統，但它和DOS或Window環(huán)境下的驅動(dòng)程序有很大的區別。Linux驅動(dòng)程序可以編譯進(jìn)內核，也可以模塊形式動(dòng)態(tài)地加入和卸載。Linux的這種特點(diǎn)可根據目標系統裁減內核，更適合于嵌入式系統。

(1) Linux驅動(dòng)程序基本原理

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

在Linux中，設備驅動(dòng)程序是一組相關(guān)函數的集合。它包含設備服務(wù)子程序和中斷處理程序，每個(gè)設備服務(wù)子程序只處理一種設備或者緊密相關(guān)的設備。其目的就是從與設備無(wú)關(guān)的軟件中接受抽象的命令并執行。當執行一條請求時(shí)，具體操作是根據控制器驅動(dòng)程序提供的接口，并利用中斷機制去調用中斷服務(wù)子程序配合設備來(lái)完成這個(gè)請求。設備程序利用結構file_operations與文件系統聯(lián)系起來(lái)。在Linux下驅動(dòng)程序裝載如圖4所示。

圖4模塊連接到內核示意

(2) HPI驅動(dòng)程序

HPI接口可用I/O端口方式,也可以用I/O存取方式。系統平臺采用I/O存取方式，將HPI訪(fǎng)問(wèn)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(kāi)始的空間，通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)存儲器指令對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

//讀數據寄存器第一字節

#define HPA_WRITE_HIGHHPI_BASE+0X000C

//寫(xiě)地址寄存器第二字節

在Linux下，類(lèi)似Windows，程序不能直接訪(fǎng)問(wèn)物理地址。設備驅動(dòng)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(dòng)程序如果出錯就會(huì )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(guò)virtul_address= (u32)ioremap(HPI_BASE,HPI_LENGTH)實(shí)現。驅動(dòng)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(xié)議采用幀結構，由于增強型HPI接口允許訪(fǎng)問(wèn)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(xiě)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。

結語(yǔ)

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(kāi)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(shí)用價(jià)值。

參考文獻

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2 www.linuxdevices.com

3 http://kernelnewbies.org/documents/kdoc

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6 胡劍凌，徐盛. 數字信號處理系統的應用和設計. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2003