DSP 與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作所必須考慮的 10 大因素

假設(shè)您接到一項(xiàng)工作任務(wù)，設(shè)計(jì)一套由 DSP 與DAC與ADC等模擬器件組成的信號(hào)處理系統(tǒng)。如果您考慮到幾個(gè)重要因素，工作就會(huì)非常簡單。下面就來談?wù)勗O(shè)計(jì)工作中應(yīng)該考慮的這幾個(gè)因素。

詳細(xì)了解應(yīng)用類型
第一步需要了解應(yīng)用類型。對(duì)于控制型應(yīng)用，既需要應(yīng)對(duì)突發(fā)的大量數(shù)據(jù)處理情形，也要考慮間歇的閑置狀態(tài)；而對(duì)于音頻應(yīng)用，則需要處理連續(xù)數(shù)據(jù)流的能力。了解應(yīng)用的具體需求將有助于選擇適當(dāng)?shù)慕涌诤驼_的數(shù)據(jù)讀取方法。

評(píng)估系統(tǒng)速率
第二步需要了解數(shù)據(jù)采樣的速率。舉例來說，音頻系統(tǒng)可能是一部 CD 播放機(jī)，采樣率為 96 kHz，也可能是電話語音系統(tǒng)，采樣率僅為 8 kHz。當(dāng)然，也可能是其他系統(tǒng)，如 ADSL 質(zhì)量測量應(yīng)用，采樣速率高達(dá) 10 MSPS，或者是稱重應(yīng)用，每秒只要 16 次采樣就足夠了，但要求具備較高的分辨率(如 24 位)。了解此方面信息，將有助于開展下一步工作，即選擇正確的 DSP 接口。

選擇正確的 DSP 接口
了解了應(yīng)用及速率要求后，就對(duì)采用哪種 DSP 接口有了一定的認(rèn)識(shí)。大多數(shù)音頻設(shè)備均使用特定類型的串行接口，不過高速應(yīng)用則要求并行接口。當(dāng)采樣速率為 10 MSPS、分辨率為 12 位時(shí)，如果采用串行接口，其端口的速率要達(dá)到 120 MHz 才能從轉(zhuǎn)換器向 DSP 發(fā)送數(shù)據(jù)。這一要求大大超過了大多數(shù)50 MHz 串行端口的處理能力。若使用并行接口，則總線上信號(hào)交換的頻率為 10 MHz，速率顯著降低，因此處理起來非常簡單。
在選擇接口時(shí)，還要考慮的另一問題就是，并行總線能否滿足所需的數(shù)據(jù)速率要求，或者說并行總線芯片在滿足程序與系數(shù)要求后是否已經(jīng)達(dá)到了滿負(fù)荷。如果是的話，不妨考慮在 DSP 與轉(zhuǎn)換器之間插入 FIFO。

確定握手模式
一旦選擇了 DSP 接口，下一步就要考慮轉(zhuǎn)換器與 DSP 之間的握手模式 (handshake mode)。大多數(shù)轉(zhuǎn)換器在發(fā)出新的數(shù)據(jù)字之前都會(huì)給出某種類型的轉(zhuǎn)換結(jié)束 (EOC) 信號(hào)。處理器使用上述信號(hào)的方式有兩種：一是輪詢 (poll)；二是用其作為中斷。
使用 EOC 信號(hào)作為中斷具有一定優(yōu)勢，因?yàn)?CPU 不會(huì)被輪詢標(biāo)記占用，因此在獲得數(shù)據(jù)前不會(huì)打斷 CPU 的正常工作。不過，如果轉(zhuǎn)換器等待處理特定的協(xié)議來讀取數(shù)據(jù)，比如轉(zhuǎn)換器發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后又需要讀取命令來檢索數(shù)據(jù)，每個(gè)讀取命令都會(huì)觸發(fā)新的中斷，那么就會(huì)造成過多的開銷，得不償失。在這種情況下，輪詢的方法就具有明顯的優(yōu)勢了。
如果中斷時(shí)延非常重要的話，那么使用輪詢方式就更具優(yōu)勢。輪詢可確保信號(hào)響應(yīng)速度更快，這比進(jìn)入中斷服務(wù)例程要快得多。如果數(shù)據(jù)檢索有短暫時(shí)隙 (narrow timeslot)，那么采用輪詢方式也是有利的。

確定傳輸模式
下一步就是實(shí)際收集數(shù)據(jù)的工作了。收集數(shù)據(jù)有兩種方法，各有千秋。第一種方法是采用 DSP 的 DMA(直接存儲(chǔ)器存取)控制器，可使傳輸與轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)記同步，并使 CPU 不用承擔(dān)傳輸工作，因?yàn)閿?shù)據(jù)陣列的填充是在后臺(tái)完成的，傳輸完成后再通知 CPU。不過，這種方法只有在進(jìn)行直接傳輸?shù)那闆r下才有效。如果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在檢索數(shù)據(jù)時(shí)需要某些復(fù)雜的機(jī)制，那么 DMA 就不太有效了。
在這種情況下，應(yīng)讓 CPU 參與傳輸工作。盡管服從特殊的協(xié)議相當(dāng)簡單，但必須使用大量的 CPU資源來收集數(shù)據(jù)。如果中斷率非常高，那么 CPU 可能很難有時(shí)間再去執(zhí)行數(shù)據(jù)收集之后的算法了。

是否采用數(shù)據(jù)猝發(fā)
假設(shè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器連接至 DSP 的并行總線，該并行總線在存儲(chǔ)器存取(讀取正在執(zhí)行的數(shù)據(jù))和 I/O 存取(讀取采樣)之間需要幾個(gè)周期的轉(zhuǎn)換，而且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率非常高，因此，轉(zhuǎn)換常常是必需的，幾乎每次采樣讀取都要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
如果一步就能讀取多個(gè)數(shù)據(jù)字，且不用每次都進(jìn)行數(shù)據(jù)總線交換，肯定是非常有價(jià)值的。在這種情況下，不妨考慮在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與 DSP 之間采用 FIFO。一旦 FIFO 達(dá)到一定的水平即中斷 DSP，達(dá)到一定數(shù)量的數(shù)據(jù)字一步完成傳輸，這就大大降低了總線轉(zhuǎn)換的開銷。

針對(duì)變量選擇正確的
數(shù)據(jù)類型
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器針對(duì)所用的數(shù)據(jù)采用不同的格式。有的使用標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制(即無符號(hào)二進(jìn)制)數(shù)據(jù)類型，有的則采用帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)類型，這就是問題的復(fù)雜所在。如果有一個(gè) 12 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，那么在帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)據(jù)情況下，如何使用將是一個(gè)問題。符號(hào)位占據(jù)最重要的位置，即第“11”位(這里的起始位是第“0”位)。如果將此數(shù)據(jù)字賦予“C”變量，寬度為“16”位，那么假定“C”符號(hào)位為第“15”位。如果從轉(zhuǎn)換器讀取的數(shù)字為負(fù)，那么 DSP 就不能識(shí)別其為負(fù)值，因?yàn)榉?hào)位的位置錯(cuò)誤。如何解決這一問題呢？第一種方法是在讀取數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)位移。不過，這只有在 CPU 讀取數(shù)據(jù)時(shí)才有可能，因?yàn)?DMA 控制器不可能在傳輸時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)位移。另一種方法是在數(shù)據(jù)塊完全傳輸后在環(huán)路中將數(shù)據(jù)位移至正確的位置。不過這必須使用 CPU，并要求額外的 MIPS。
如果改變連接后轉(zhuǎn)換器的第“11”位剛好連接至 DSP 數(shù)據(jù)總線的第“15”位，那么符號(hào)位從首位算起剛好位于正確的位置，這就能實(shí)現(xiàn)基于DMA 的傳輸，而且也不用再進(jìn)行數(shù)據(jù)位移。

確保處理的是正確數(shù)據(jù)
現(xiàn)在，數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)入系統(tǒng)，數(shù)據(jù)字存儲(chǔ)在陣列中，數(shù)據(jù)大小也合適，于是開始處理數(shù)據(jù)，但沒有獲得預(yù)期的結(jié)果，這時(shí)需要思考到底出了什么問題。首先應(yīng)該檢查 DSP 的高速緩存，DMA 傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲(chǔ)器時(shí)是否啟用高速緩存，在這種情況下，高速緩存很可能保留拷貝的舊數(shù)據(jù)，并在算法工作中使用它們。如果發(fā)生了此類問題，就必需注意高速緩存相關(guān)性與轉(zhuǎn)儲(chǔ)清除問題，或者是存儲(chǔ)新數(shù)據(jù)的高速緩存區(qū)失效。這樣就能確保 CPU 處理的數(shù)據(jù)是傳輸完成后的最新數(shù)據(jù)。

如果用 C 語言編程
應(yīng)分配易失關(guān)鍵字
在調(diào)試嵌入式系統(tǒng)時(shí)，采用變量查詢外設(shè)的狀態(tài)后，發(fā)現(xiàn) CPU 所用變量值是錯(cuò)誤的，這時(shí)就要思考到底哪里出了問題。先看看下面這個(gè)結(jié)構(gòu)：
unsigned int *pControl = (unsigned int *)0x00COFFEE; 錯(cuò)誤
while (*pControl == 0); 等待一個(gè)外部事件
這里的 *pControl 指向一個(gè)外設(shè)。通過 while 循環(huán)，期望 EOC 能從“0”轉(zhuǎn)換為“1”。但在大多數(shù)情況下，恐怕得一直等下去，因?yàn)榫幾g器認(rèn)為它已經(jīng)完全控制了變量及與其相關(guān)的存儲(chǔ)器，只加載 *pControl 指向的存儲(chǔ)器位置的內(nèi)容一次，就會(huì)對(duì)其進(jìn)行循環(huán)測試。但問題在于，由于不會(huì)重新讀取存儲(chǔ)器內(nèi)容，也就不能結(jié)束循環(huán)。
解決這一問題的方法就是將 *pControl 的聲明作一下修改，通知編譯器其指向的存儲(chǔ)器位置可由外部事件修改，而每次使用該變量時(shí)都必須重新載入，如下所示：
volatile unsigned int *pControl = (unsigned int *)0x00COFFEE; 正確
while (*pControl == 0); 等待一個(gè)外部事件

確保采樣等距
如果要在頻域中處理采樣數(shù)據(jù)，那么還要提到一點(diǎn)：不是所有轉(zhuǎn)換器都有啟動(dòng)新轉(zhuǎn)換的自身時(shí)基。在這種情況下，應(yīng)采用外部時(shí)基或 DSP 定時(shí)針 (timer pin) 。■