DSP器件為核心的嵌入式系統技術(shù)

嵌入式系統的目的是提供一個(gè)以多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò )化為核心、易于開(kāi)發(fā)的復雜數字系統。從數字技術(shù)和信息技術(shù)的角度看，嵌入式系統已成為現代信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用的基礎技術(shù)，已成為現代工控領(lǐng)域的基本技術(shù)。

使用嵌入式系統技術(shù)，不僅可以實(shí)現硬件和軟件的優(yōu)化集成，更主要的是提供了使用“數字基因技術(shù)”的基本工具。從計算機和信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的角度看，嵌入式系統標志著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化計算時(shí)代的到來(lái)，標志著(zhù)計算機應用進(jìn)入了“通用元素”化和“數字基因”化發(fā)展的新階段，因此，嵌入式系統在計算機應用具有里程碑的意義。

本文將討論DSP內核嵌入式系統或芯片的基本技術(shù)特征，以及這種嵌入式系統的應用技術(shù)特點(diǎn)。

嵌入式系統實(shí)際上就是一個(gè)集成化的計算機系統。隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，應用領(lǐng)域還對嵌入式系統提出了網(wǎng)絡(luò )化功能，這就促使嵌入式系統向著(zhù)更高的集成化方向發(fā)展。

嵌入式系統的發(fā)展，主要體現在芯片技術(shù)的進(jìn)步，以及芯片技術(shù)限制下的算法與軟件的進(jìn)步上。對于嵌入式系統來(lái)說(shuō)，核心是具有數據處理和系統管理能力的計算機系統，因此，只要是以處理器系統為核心的器件，都可以形成嵌入式系統。這就是說(shuō)，使用具有強大數據處理功能的DSP器件也可以組成一個(gè)嵌入式系統，并且可以充分發(fā)揮DSP器件在數據處理方面的優(yōu)勢，改善嵌入式系統的實(shí)時(shí)操作特性。

所謂DSP嵌入式系統，實(shí)際上就是把DSP系統嵌入到應用電子系統中的一種通用系統。這種系統具有DSP系統的所有技術(shù)特征，同時(shí)還具有應用目標所需要的技術(shù)特征。DSP嵌入式系統不再是一個(gè)專(zhuān)用的DSP系統，而是一個(gè)完整的、具有多任務(wù)和實(shí)時(shí)操作系統的計算機系統，以這個(gè)計算機系統為基礎，可以十分方便地開(kāi)發(fā)出用戶(hù)所需要的應用系統。

DSP器件是一種特別適合于進(jìn)行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現各種數字信號算法處理。按數據格式劃分，DSP器件可以分為定點(diǎn)和浮點(diǎn)兩種。

DSP芯片具有如下主要技術(shù)特性：

1）硬件上采用多總線(xiàn)哈佛（Harvard）結構，提高了數據的處理能力和速度。

2）指令執行采用流水作業(yè)（pipeline），具有較高的指令執行速度。

3）采用獨立的硬件乘法/加法器（MAC），極大地提高了數據處理速度。

4）設置有循環(huán)尋址（Circular addressing）、位倒序（bit-reversed）等特殊指令，有利于實(shí)現高健壯性的實(shí)時(shí)系統。

5）內部具有獨立的DMA總線(xiàn)控制器，通過(guò)DSP器件中一組或多組獨立的DMA總線(xiàn)，可以實(shí)現程序執行與數據傳輸并行工作。目前，在不影響CPU工作的條件下，片內DMA速度已達1600Mbyte/s以上。

6）提供了多處理器接口，可以十分方便地實(shí)現多個(gè)處理器并行或串行工作，不僅可以提高數據處理速度，還為使用嵌入式子系統實(shí)現大型和復雜嵌入式系統提供了技術(shù)基礎。

7）提供了JTAG（Joint Test Action Group）標準測試接口（IEEE 1149標準接口），便于DSP作片上的在線(xiàn)仿真和多DSP條件下的調試。

由于DSP器件的上述技術(shù)特性，使得以DSP器件為核心的DSP系統具有如下幾個(gè)主要技術(shù)特點(diǎn)：

1）數據處理速度快，具有良好的可編程實(shí)時(shí)特性。

2）硬件軟件接口方便，可以十分方便地與其它數字系統或設備相互兼容。

3）開(kāi)發(fā)方便，可以靈活地通過(guò)軟件對系統的特性和應用目標進(jìn)行修改和升級。

4）具有良好的系統健壯性，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小、可靠性高。

5）易于實(shí)現系統集成或使用SOC技術(shù)，可以提供高度的規范性。

典型的DSP嵌入式系統構成如圖1所示。

在圖1中，網(wǎng)絡(luò )通信接口不僅提供了DSP嵌入式系統的網(wǎng)絡(luò )通信硬件支持，同時(shí)也提供了通過(guò)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)嵌入式系統的技術(shù)條件。在DSP嵌入式系統中，網(wǎng)絡(luò )接口具有十分重要的作用，同時(shí)由于現代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，要求嵌入式系統中的網(wǎng)絡(luò )接口必須能滿(mǎn)足不同開(kāi)發(fā)系統的要求，因此除了包含IEEE1394-2(USB火線(xiàn))外，還應當包含有傳統的RS232和IEEE488接口，以及以太網(wǎng)接口和相應的TCP/IP協(xié)議。

從圖1可以看出，如果不考慮用戶(hù)應用電路，則DSP嵌入式系統就可以形成一個(gè)獨立的通用高速數據處理系統，這個(gè)高速數據處理系統不僅具有數據處理、可編程開(kāi)發(fā)和多DSP并行應用的特點(diǎn)，還具有強大的網(wǎng)絡(luò )功能，可以完全滿(mǎn)足信息網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)要求。

圖2是一個(gè)DSP嵌入式系統和PLC形成的工業(yè)控制系統基本結構。從圖2可以看出，如果DSP嵌入式系統的資源不能滿(mǎn)足系統要求時(shí)，可以采用附加DSP系統或增加一個(gè)完整的DSP嵌入式系統的方法加以解決，而不需要從系統結構上進(jìn)行大的改動(dòng)。

DSP嵌入式系統最重要的技術(shù)特性就是具有相當強大的數據處理功能，從現代信息技術(shù)角度看，在系統中嵌入DSP的目的，就是為了增強系統的信息處理能力。因此，DSP嵌入式系統與微處理器嵌入式系統在應用特性上有很大的不同。

為了提高系統的數據和信息處理能力，DSP嵌入式系統可提供許多重要的數據處理算法，其中一個(gè)重要的內容就是并行算法。這里的并行算法包含軟件和硬件兩個(gè)方面的概念。從軟件的角度看，在使用微處理器的嵌入式系統中，并行算法的實(shí)現往往比較復雜，而對于DSP嵌入式系統，由于系統中DSP器件中采用的哈佛結構、浮點(diǎn)運算以及并行乘加運算，所以可比較容易地實(shí)現并行算法和一些并行系統操作的軟件編程。從硬件角度看，DSP器件的多總線(xiàn)結構和片內DMA電路與局部總線(xiàn)，為并行算法與并行操作提供了硬件支持。

使用嵌入式系統的一個(gè)重要目的，就是要用簡(jiǎn)單的方法和技術(shù)實(shí)現復雜的系統。憑借DSP強大的數據和信息處理功能，使其具有直接處理終端信號和信息的能力，因此，在DSP嵌入式系統中，可以實(shí)現終端的直接操作。例如在圖2中，可以直接利用DSP系統處理某個(gè)PLC測量的模擬信號，或者直接處理一組PLC采集的邏輯信號所攜帶的控制信息。這樣就能大大降低對PLC的要求，即充分利用DSP嵌入式系統資源、提高系統的性能和技術(shù)指標，又可以降低系統的整體成本。

由于采用高度集成，在簡(jiǎn)化終端電路復雜程度的同時(shí)，也帶來(lái)了數據流量大的問(wèn)題。例如，如果對一個(gè)終端需要進(jìn)行比較復雜的濾波、信息提取和識別，終端設備只起到數據采集的作用就可以了，這時(shí)的數據流量將會(huì )遠大于僅完成設置和傳遞系統操作命令所需要的數據流量。如果系統中有幾個(gè)這樣的終端，則會(huì )使數據處理流量遠大于DSP系統所具有的處理能力。因此，一般采用DSP嵌入式系統，必須注意不要增加數據流量，而是充分利用DSP的數據處理能力，強化系統的管理、操作以及遠程通信功能。此外，還可以使用廉價(jià)的DSP器件形成低價(jià)位的DSP嵌入式系統，使信息處理成為網(wǎng)絡(luò )終端的基本功能，從而形成具有信息處理能力的嵌入式系統單元，再利用這些智能單元組成復雜的智能網(wǎng)絡(luò )。

嵌入式系統已經(jīng)與SOC技術(shù)融合在一起，成為新一代信息技術(shù)的基礎。嵌入式系統中可以采用微處理器、單片機或DSP，其中DSP嵌入式系統不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)特性，而且還可使用并行算法操作，具有高速數字信號處理的能力，為實(shí)現系統的實(shí)時(shí)性提供了有力的支持。

與傳統的單片機系統(即單板機、PC機等)相比較，嵌入式系統更有利于網(wǎng)絡(luò )應用和智能系統應用，由于嵌入式系統可以實(shí)現單片化，因此使得嵌入式系統幾乎可以用于任何一種數字系統應用場(chǎng)合。嵌入式系統，特別是DSP單片機系統已經(jīng)成為現代電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的重要支柱?！?/font>