基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統的多任務(wù)程序設計

　　摘要：多DSP信號處理板廣泛地運用于工業(yè)、軍事、通信和醫療等許多方面。本文介紹一種基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統的ADSP21160的多DSP板設計,以及該板在數字式聲納的實(shí)時(shí)信號處理系統中的應用，并介紹在VxWorks實(shí)時(shí)操作系統下的軟件算法仿真和實(shí)現。

　　關(guān)鍵詞：多DSP陣列　聲納系統

　　VxWorks 近年來(lái)，計算機產(chǎn)品的應用領(lǐng)域越來(lái)越廣，數字信號處理器的發(fā)展表現得尤為明顯。DSP芯片制造商和DSP板開(kāi)發(fā)商利用自身的優(yōu)勢不斷開(kāi)發(fā)出多DSP結構的產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足這種需求。通常的DSP設備是與嵌入式系統相結合，來(lái)實(shí)時(shí)地完成某一特定任務(wù)。隨著(zhù)信號采集速度和處理速度的要求越來(lái)越高，許多領(lǐng)域都需要進(jìn)行多處理器運算，其中包括醫學(xué)、圖像處理、軍事、工業(yè)控制、電信等許多領(lǐng)域。多處理器系統可以根據所需實(shí)現的功能和處理器的性能來(lái)調節處理結點(diǎn)的數目，使系統達到最佳的性能價(jià)格比。實(shí)際上，只有從芯片開(kāi)始仔細設計，才能方便地實(shí)現多處理器系統的調節功能。這里選用的是AD公司新出品的SHARC級處理器ADSP21160。

　　ADSP21160具有很大的片內存儲區、多重內部總線(xiàn)結構、獨立的I/O子系統;具有構造多處理器系統的所有特點(diǎn)，能夠真正支持處理器數目的可調節功能，十分適合組成高性能浮點(diǎn)的多DSP系統。 VxWorks是目前世界上用戶(hù)數量最大的實(shí)時(shí)操作系統。這使它除了具有優(yōu)越的技術(shù)性能之外，還具有豐富的應用軟件支持、良好的技術(shù)服務(wù)和可靠的系統穩定性。由于它具有以上優(yōu)點(diǎn)，本系統中選用了VxWorks作為MVME167的操作系統。

　　一、ADSP21160的特點(diǎn)

　　ADSP21160 是AD公司采用超級哈佛結構的一種新產(chǎn)品。21160的匯編代碼與2106x兼容，處理器具有SIMD(單指令流多數據流)功能;而2106x只具有 SISD(單指令流單數據流)功能。為了充分利用這種新的功能，一些指令做了一些改變。ADSP21160包括1個(gè)100/150MHz的運算核、雙端片內SRAM、1個(gè)支持多處理器的集成在片內的I/O處理器和多重內部總線(xiàn)以消除I/O瓶頸。

　　ADSP21160的匯編源代碼與2106x兼容。SIMD計算結構：2個(gè)32bit的計算單元，其中每一個(gè)單元包括乘法器、ALU、移位寄存器及寄存器文件。具有完備的與外圍設備接口功能。包括獨立的I/O處理器、4Mbit 的片內雙端SRAM、可直接連接的多處理器特性及端口(串口、連接口、外總線(xiàn)及JTAG)。 　　ADSP21160包括2個(gè)運算處理單元，具有SIMD功能。處理單元指的是PEX和PEY。PEX始終是有效的，而PEY的有效是通過(guò)設置 MODE1寄存器中的PEYEN位來(lái)實(shí)現的。當PEY模式有效時(shí)，同一條指令在2個(gè)處理器單元中都得到執行，但每一個(gè)處理器單元中的操作數不同。 SIMD模式在存儲區和處理器單元之間的數據傳輸也是很有作用的。當使用SIMD模式，通過(guò)加倍數據帶寬來(lái)保證處理器單元的操作。在SIMD模式，當使用 DAGs來(lái)傳輸數據時(shí)，存儲區每次訪(fǎng)問(wèn)所傳輸的是兩個(gè)數據值。 　　ADSP21160包括4Mbit的片內SRAM，分為兩塊，每一塊2Mbit?？梢远x為不同字長(cháng)的指令和數據存儲。每一個(gè)存儲塊的雙端口結構可以使存儲塊獨立地被運算核處理和I/O處理器訪(fǎng)問(wèn)。21160的存儲區最大可以容納128K的32bit數據，或256K的16bit數據，或85K的 48bit指令，或其他混合字長(cháng)的數據，但總和最大為4Mbit。所有存儲區可以16、32、48、64bit字長(cháng)的字訪(fǎng)問(wèn)。 外端口支持處理器與片外存儲器及外設的接口，片外的4G地址空間屬于21160的統一地址空間。 　　外端口支持同步、異步及同步BURST訪(fǎng)問(wèn)。DMA控制器的操作相對處理器運算核是獨立和不可見(jiàn)的，即DMA操作可與執行指令同時(shí)進(jìn)行。DMA傳輸可以在內部存儲區與外部存儲區、外圍設備或主機之間進(jìn)行。21160共有14個(gè)DMA通道，其中：連接口(linkport)占6個(gè);串口占4個(gè);外端口 (external port)占4個(gè)。21160可以通過(guò)DMA傳輸來(lái)下載程序，外圍異步設備也可以通過(guò)DMA請求/應答線(xiàn)來(lái)控制2個(gè)DMA通道。 　　21160具有許多特點(diǎn)支持多DSP系統。外端口與連接口支持多處理器系統的直接連接，外端口支持統一的地址空間，允許DSP之間互相訪(fǎng)問(wèn)。片內具有分布式總線(xiàn)仲裁邏輯，最多支持6片21160和主機連接。外端口的最大數據傳輸率為400MB/s，廣播寫(xiě)信號可以同時(shí)發(fā)送到各片21160。6個(gè)連接口提供了另一種方法實(shí)現多處理器之間的通信。連接口的最高傳輸速率為600MB/s。

　　整個(gè)系統基于VME總線(xiàn)。VME總線(xiàn)系統作為最早的國際通用開(kāi)放式總線(xiàn)，自1981年起，經(jīng)歷了近20年的發(fā)展。其影響不斷擴大，功能不斷完善，現已成為性能最好、應用最廣的國際總線(xiàn)標準之一。 　　根據設計要求，采用了4片ADSP21160。片外共享內存SRAM可以被主機和各片DSP直接訪(fǎng)問(wèn);EPROM用來(lái)存放初始化程序和各片DSP要運行的程序，在系統上電后這些程序被下載到各片DSP中;LEDs用來(lái)顯示插件的狀態(tài)，如reset、normal等。每一片都有1個(gè)連接口連到插件的前面板，這樣前端采集來(lái)的數據就可以很方便地傳輸到多DSP上，而且也使數據的傳輸模式更加靈活。 　　連接口(linkport)是SHARC系列DSP芯片的一個(gè)特點(diǎn)。ADSP21160共有6個(gè)8bit連接口提供額外的I/O服務(wù)。在100MHz 時(shí)鐘下運行時(shí)，每個(gè)連接口可達100MB/s。連接口尤其適合多處理器間點(diǎn)到點(diǎn)的連接。連接口可以獨立地同時(shí)操作，通過(guò)連接口的數據封裝成48 /32bit字長(cháng)后，可以從片內存儲區直接被運算核讀取或DMA傳輸。每一個(gè)連接口有它自己的雙緩沖I/O寄存器，數據傳輸可編程，硬件由時(shí)鐘/應答握手線(xiàn)控制。4片DSP使用連接口實(shí)現DSP間兩兩互連。 　　21160的主機接口可以很方便地與標準微處理器總線(xiàn)(16/32bit)相連，幾乎不需要額外硬件。主機通過(guò)21160的外端口對其進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，存儲區地址映射為統一的地址空間。4個(gè)DMA通道可以用于主機接口，代碼和數據傳輸的軟件開(kāi)銷(xiāo)很小，主處理器通過(guò)HBR、HBG和REDY信號線(xiàn)與21160 進(jìn)行通信，主機可以對片內存儲區進(jìn)行直接讀寫(xiě)。

　　二、開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado

　　VxWorks的開(kāi)發(fā)環(huán)境是WindRiver公司提供的Tornado。Tornado采用主機-目標機開(kāi)發(fā)方式，主機系統可采用運行Sun Solaris、HP-UX以及Win95/NT的工作站或個(gè)人計算機，VxWorks則運行在Intel x86、MC68K、PowerPC或SPARC等處理器上。Tornado支持各種主機-目標機連接方式，如以太網(wǎng)、串行線(xiàn)、在線(xiàn)仿真器和ROM仿真器。 　　Tornado的體系結構使得許多強有力的開(kāi)發(fā)工具可以用于各種目標機系統和各種主機-目標機連接方式下，而不受制于目標機的資源和通信機制。同時(shí) VxWorks具有良好的可剪裁性。因此它適用于各種嵌入式環(huán)境的開(kāi)發(fā)，小到資源極其有限的個(gè)人手持式設備如PDA(Personal Digital Assistant);大到多處理機系統，如VME系統。 　　Tornado可提供一個(gè)直觀(guān)的、可視化的、用戶(hù)可擴充的開(kāi)發(fā)環(huán)境，極大縮短了開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)，由于Tornado是一個(gè)完全的開(kāi)放系統，使得集成第三方開(kāi)發(fā)工具變得十分容易。 主機與目標機之間的通信是通過(guò)運行各自處理器上的代理進(jìn)程來(lái)完成的，使主機上的開(kāi)發(fā)工具和目標機的操作系統可以完全脫離相互連接的方式。 　　為了擺脫主機-目標機通信帶寬和目標機資源的限制，Tornado將傳統的目標機方的工具遷移到主機上，如shell、loader和符號表等。這樣，系統不再需要額外的時(shí)間和帶寬在主機和目標機之間交換信息，降低了對連接帶寬的需求，

　　也避免了目標機的資源(如內存)被工具或符號表大量占用，使得應用程序擁有更多的系統資源。同時(shí)這種遷移也使得各種主機開(kāi)發(fā)工具獨立于目標機存在，從而使同一主機平臺上的工具可以用于所有的目標機系統。 　　作為一個(gè)應用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，Tornado提供了友好的可視化開(kāi)發(fā)界面、交叉編譯環(huán)境、源碼級調試工具、目標機命令解釋器和目標機狀態(tài)監視器等多種應用工具，為應用軟件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)高效而可靠的平臺。

　　三、程序設計

　　我們選用的DSP開(kāi)發(fā)工具是AD公司提供的VisualDSP。這是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持對SHARC系列DSP芯片的開(kāi)發(fā)。實(shí)時(shí)操作系統 VxWorks的開(kāi)發(fā)工具是WindRiver公司的Tornado集成開(kāi)發(fā)工具。VisualDSP可以C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的DSP代碼，最新版本的 VisualDSP還支持C++。它還有1個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以編譯多片DSP的源代碼，并產(chǎn)生下載文件，這就可以很方便地進(jìn)行多DSP系統的軟件模擬。 　　ADSP21160陣列的設計結構使它既可以構成單指令流多數據流(SIMD)的并行處理機，也可以構成多指令流單數據流(MISD)或多指令流多數據流(MIMD)的流水線(xiàn)處理機，視用戶(hù)的要求而定。這兩種并行方案的選擇，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是選擇分割數據流還是分割處理工序。SIMD方案的原理如圖1所示。 　　以下介紹我們實(shí)驗室承擔的水聲信號處理系統。本系統以VME總線(xiàn)為系統開(kāi)發(fā)平臺，前端調理模件、模數轉換模件和前端控制模件等為VME插件，采用 SHARC級DSP芯片陣列完成聲納信號實(shí)時(shí)處理，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統VxWorks及X窗口系統的中央控制和顯示。 　　圖2是4片DSP的任務(wù)分配圖。從前端采集來(lái)的信號，經(jīng)波束形成和復解調，再經(jīng)過(guò)窄帶濾波后的信號分為兩路，一路送去進(jìn)行幅度檢波，一路做頻域處理。幅度檢波就是對復信號求模，根據信號幅度判決有無(wú)目標存在。頻域處理分兩種情況：當發(fā)射信號為單頻脈沖時(shí)，進(jìn)行功率譜估計，然后根據多普勒頻移估計目標速度;當發(fā)射信號為雙曲調頻信號時(shí)，進(jìn)行相關(guān)處理。 　　聲納綜合數據處理主要包括主動(dòng)聲納信號處理和被動(dòng)聲納信號處理。其中，主動(dòng)聲納信號處理又根據發(fā)射信號的不同，分為非相干處理、相干處理、功率譜處理。聲納綜合數據處理主要完成：目標自動(dòng)檢測、目標參數測定和動(dòng)目標跟蹤。 四、操作流水線(xiàn) 　　操作流水線(xiàn)是模塊內數據計算與I/O的流水線(xiàn)，物理上表現為CPU與I/O端口的DMA之間的并行。在前端處理中由于數據率高，通信開(kāi)銷(xiāo)很大。以通信任務(wù)最為繁重的復解調和多普勒補償模塊為例，輸入數據率為2Mw/s，輸出數據率為4Mw/s，高速連接口LinkPort最高速率為100Mw/s，如果采用串行傳輸的話(huà)，通信時(shí)間就將占用60%以上的處理時(shí)間，計算時(shí)間顯然嚴重不足。所以必須采用并行執行，流程圖如圖3所示。這也是一種異步流水線(xiàn)方式，每次傳送和計算完成都須要設置標志以通知下一操作。

　　結束語(yǔ)

　　在VxWorks實(shí)時(shí)操作系統下，4片ADSP21160上的程序已經(jīng)通過(guò)模擬輸入和系統測試。采用SHARC DSP 陣列能夠很好地完成聲納信號實(shí)時(shí)處理,每一片DSP至少有10%的計算裕量，基本達到設計要求。