基于DSP/BIOS的多信號并行處理軟件架構設計

　　1 DSP／BIOS簡(jiǎn)介

　　DSP／BIOS是TI公司推出的實(shí)時(shí)操作系統，集成在CCS（Code Composer Studio）開(kāi)發(fā)環(huán)境中。DSP／BIOS采用靜態(tài)配置策略，通過(guò)去除運行代碼能使目標程序存儲空間最小化，優(yōu)化內部數據結構，在程序執行前夠通過(guò)確認對象所有權較早地檢測出錯誤，可滿(mǎn)足DSP運行時(shí)的調試和性能分析，應用DSP／BIOS可以快速編寫(xiě)高效程序，較大的簡(jiǎn)化DSP應用程序的開(kāi)發(fā)和調試。DSP／BIOS是一組可重復調用的系統模塊應用程序接口A(yíng)PI集合，分為系統模塊System、協(xié)助模塊Instrumentation、調度模塊Scheduling、同步模塊Synchronization、通信模塊Input／Out put和配置模塊CSL。系統模塊，主要完成芯片型號確認、字節序Endian Mode配置、主頻配置、芯片Cashe空間劃分及內存空間分配。協(xié)助模塊Instrumentation，主要負責消息打印、事件日志及信息追蹤工作。調度模塊，為DSP／BIOS核心功能，可細化為定時(shí)管理CLK、周期中斷管理PRD、硬中斷管理HWI、軟中斷管理SWI、任務(wù)管理TSK和空閑任務(wù)管理IDL。CLK控制片內的32位實(shí)時(shí)邏輯時(shí)鐘，負責PRD周期的設置。PRD管理周期對象，觸發(fā)應用程序周期執行性，為一種特殊的SWI。HWI管理硬件中斷，主要負責DSP與外設的數據交互，中斷服務(wù)程序應盡量短小精焊。SWI是不可阻塞搶斷式，SWI任務(wù)只能在程序編制時(shí)預先定義好。TSK是可阻塞搶斷式的，支持任務(wù)的動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。IDL管理休眠函數，休眠函數在目標系統程序無(wú)更高優(yōu)先權的函數運行時(shí)啟動(dòng)，是一種特殊的TSK。同步模塊，負責各個(gè)調度模塊之間信息的交換傳遞，保證調度模塊之間的同步和互斥。通信模塊，允許應用程序在目標系統和主機之間交流數據。配置模塊，負責芯片底層硬件的配置。另外DSP／BIOS還帶有插件，支持實(shí)時(shí)分析、程序跟蹤和性能監視。

　　2 DSP軟件架構

　　軟件架構采用分層設計思想，共分5層：驅動(dòng)層、系統層、算法層、控制層和應用層。驅動(dòng)層完成芯片硬件接口及外圍芯片驅動(dòng)。系統層運行DSP／BIOS操作系統，完成硬件中斷、周期控制和任務(wù)調度功能。算法層提供各類(lèi)業(yè)務(wù)需求的算法API?？刂茖迂撠熫浖闹噶罱馕?、內存管理、中斷服務(wù)和交換控制。應用層為CPU調用控制DSP提供指令交互和數據交互接口。

　　3 子層設計

　　3．1 驅動(dòng)層

　　使用DSP／BIOS圖形化的界面，調用芯片支持庫模塊CSL，快速設置DSP底層硬件接口，完成芯片的MCBSP驅動(dòng)、EMIF驅動(dòng)和EDMA驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)。對于外圍芯片的驅動(dòng)，如A／D芯片驅動(dòng)，首先硬件上完成DSP芯片與A／D芯片的接線(xiàn)，然后按照配置指令的幀格式完成對A／D芯片的配置。

　　3．2 系統層

　　系統層設計為軟件架構設計的關(guān)鍵點(diǎn)，充分利用DSP／BIOS提供的調度模塊和同步模塊。將控制層中的指令解析、交換控制和交換表更新模塊與PRD綁定，周期檢查有無(wú)新指令，并根據指令解析更新交換表，調度周期由32位實(shí)時(shí)邏輯時(shí)鐘控制。將控制層中的交換控制和數據交換模塊與TSK綁定，根據從其他模塊收到的信號量SEM或者郵箱信息MBX，進(jìn)行數據格式轉換，完成不同格式的數據在不同信道間的透明傳輸。將中斷服務(wù)與HWI進(jìn)行綁定，完成數據實(shí)時(shí)收發(fā)。運用同步模塊Synchronization中的郵箱機制MBX與信號量SEM機制完成HWI、PRD和TSK之間的消息傳遞。運用操作系統的調度算法，完成多個(gè)任務(wù)之間的調度，控制數據收發(fā)及數據處理。

　　3．3 算法層

　　把各類(lèi)算法單獨列為一層，匯聚多類(lèi)信號算法，采用松散耦合和可重入設計方法，方便算法的移植、維護及多路并行工作設計，并根據應用需求，方便算法的裁減和擴充。各類(lèi)算法嚴格獨立，都以單獨庫和頭文件的形式提供。算法層的結構如圖2所示。

　　3．4 通信常用算法

　　DTMF：雙音多頻信號，每個(gè)號碼由兩個(gè)音頻信號相加得到，廣泛用在電話(huà)撥號和來(lái)電顯示中，其生成和檢測算法。

　　FSK：利用1 200 Hz和2 200 Hz的正弦信號，采用2FSK調制解調方法，廣泛用于來(lái)電顯示中，其生成和檢測算法。

　　TONE：三音生成和檢測算法，包含信號音、忙音、回鈴音生成和三音檢測，廣泛用于電話(huà)交換系統中。

　　G．711：速率為64 khit·s-1的語(yǔ)音編解碼標準，廣泛用于電話(huà)交換系統中。

　　CVSD：連續可變斜率編碼的英文縮寫(xiě)，速率為16 khit·s-1的語(yǔ)音編解碼標準，用于低速率通信系統中，其編解碼算法。

　　3．5 控制層

　　控制層設計為軟件架構設計第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，在應用層與系統層、算法層之間起到橋梁作用。由指令解析、內存管理、中斷服務(wù)和交換控制4個(gè)模塊組成。指令解析由操作系統PRD調用，周期性的判斷是否具有新的指令到來(lái)，如有新指令到來(lái)，首先把新的指令放入到指令FIFO存儲器，然后清空指令空間，避免下次調用指令解析函數時(shí)做出誤判斷，最后指令解析模塊會(huì )對指令FIFO中的內容進(jìn)行解析，根據解析結果更新交換控制模塊中的交換表。內存管理為每個(gè)業(yè)務(wù)通道分配了發(fā)送緩存區Tx Buffer和接收緩存區Rx Buffer，并為每個(gè)Tx Butter和Rx Buff er配備了管理指針，用于指示Buffer中的數據的存儲位置及空閑位置，并由此計算出每個(gè)Buffer的數據個(gè)數及空閑空間大小，完成對異常操作如寫(xiě)操作過(guò)程中產(chǎn)生的Buffer溢出或讀操作過(guò)程產(chǎn)生的Buffer空的處理。在產(chǎn)生硬件中斷時(shí)，中斷服務(wù)由BIOS系統HWI調用，完成實(shí)時(shí)數據收發(fā)。中斷服務(wù)需要保證實(shí)時(shí)性，不作過(guò)多控制和計算，盡可能減少執行指令數目，以及使用短周期指令，必要情況下使用CCS提供的已經(jīng)優(yōu)化的Intrinsics函數進(jìn)行程序的優(yōu)化或運用匯編指令編寫(xiě)。HWI不可阻塞，在中斷服務(wù)中，不可調用具有可能引起阻塞的函數。與系統中其他任務(wù)之間的信息交換可以通過(guò)協(xié)助模塊中的郵箱機制MBX或信號燈機制SEM進(jìn)行交互。交換控制模塊實(shí)現不同通道數據之間的交換，并伴隨不同數據格式相互轉換。交換控制包含交換表管理和數據交換，具備多種的交換能力。交換表管理具有交換表條目刪除和增加的功能。數據交換模塊根據交換表完成源通道數據到目的通道數據格式轉換，然后將轉換后的數據放置到目的通道的發(fā)送緩存中，等待數據發(fā)送，具有多路并行工作能力?？刂茖觾炔磕K之間的數據交互如圖3所示。

　　3．6 應用層

　　應用層設計采用內存共享機制，實(shí)現DSP與CPU的指令交互和數據交互。為確保每次讀寫(xiě)數據的完整性和正確性，兩塊處理器間需要建立有效的通信機制，保證不會(huì )同時(shí)對同一地址進(jìn)行操作。指令交互負責接收CPU指令并向CPU返回結果。指令解析模塊周期性讀取指令，并進(jìn)行解析，控制DSP每個(gè)業(yè)務(wù)通道的操作，如果是DTMF檢測、FSK檢測或TONE檢測指令，DSP將解析出的結果反饋給CPU。如果是DTMF產(chǎn)生、FSK產(chǎn)生或TONE產(chǎn)生指令，DSP將向指定業(yè)務(wù)通道發(fā)送號碼對應的DTMF信號、FSK信號或撥號音、忙音、回鈴音或催掛音等；如果是兩信道語(yǔ)音格式轉換指令，DSP將從源信道接收數據，完成轉換格式后，發(fā)往目的通道。數據交互，DSP與CPU通過(guò)共享內存還可進(jìn)行數據交互，數據的存儲狀態(tài)將由內存管理模塊進(jìn)行控制。

　　4 結束語(yǔ)

　　文中介紹的軟件架構，已在實(shí)際應用中得到驗證，在TMS320VC5416可同時(shí)完成32路多種信號處理DTMF、FSK、TONE、CVSD、G．711任意配置，在TMS320C6418可同時(shí)完成128路多信號處理DTMF、FSK、TONE、CVSD、G．711任意配置，并可加入多路G．729處理。該軟件架構能夠保證不同算法的單獨開(kāi)發(fā)和重復利用，在跨平臺移植時(shí)，根據硬件接口不同，僅需對驅動(dòng)層進(jìn)行重新配置，其余