DSP器件為核心的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)的目的是提供一個(gè)以多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)化為核心、易于開發(fā)的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)。從數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的角度看，嵌入式系統(tǒng)已成為現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)，已成為現(xiàn)代工控領(lǐng)域的基本技術(shù)。

使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的優(yōu)化集成，更主要的是提供了使用“數(shù)字基因技術(shù)”的基本工具。從計(jì)算機(jī)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的角度看，嵌入式系統(tǒng)標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算時(shí)代的到來，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)應(yīng)用進(jìn)入了“通用元素”化和“數(shù)字基因”化發(fā)展的新階段，因此，嵌入式系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用具有里程碑的意義。

本文將討論DSP內(nèi)核嵌入式系統(tǒng)或芯片的基本技術(shù)特征，以及這種嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)。

嵌入式系統(tǒng)實(shí)際上就是一個(gè)集成化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域還對嵌入式系統(tǒng)提出了網(wǎng)絡(luò)化功能，這就促使嵌入式系統(tǒng)向著更高的集成化方向發(fā)展。

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，主要體現(xiàn)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(tǒng)來說，核心是具有數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)管理能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此，只要是以處理器系統(tǒng)為核心的器件，都可以形成嵌入式系統(tǒng)。這就是說，使用具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能的DSP器件也可以組成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，并且可以充分發(fā)揮DSP器件在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，改善嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作特性。

所謂DSP嵌入式系統(tǒng)，實(shí)際上就是把DSP系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用電子系統(tǒng)中的一種通用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有DSP系統(tǒng)的所有技術(shù)特征，同時(shí)還具有應(yīng)用目標(biāo)所需要的技術(shù)特征。DSP嵌入式系統(tǒng)不再是一個(gè)專用的DSP系統(tǒng)，而是一個(gè)完整的、具有多任務(wù)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以這個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，可以十分方便地開發(fā)出用戶所需要的應(yīng)用系統(tǒng)。

DSP器件是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號算法處理。按數(shù)據(jù)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）硬件上采用多總線哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)的處理能力和速度。

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

3）采用獨(dú)立的硬件乘法/加法器（MAC），極大地提高了數(shù)據(jù)處理速度。

4）設(shè)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(xiàn)高健壯性的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

5）內(nèi)部具有獨(dú)立的DMA總線控制器，通過DSP器件中一組或多組獨(dú)立的DMA總線，可以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行與數(shù)據(jù)傳輸并行工作。目前，在不影響CPU工作的條件下，片內(nèi)DMA速度已達(dá)1600Mbyte/s以上。

6）提供了多處理器接口，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理器并行或串行工作，不僅可以提高數(shù)據(jù)處理速度，還為使用嵌入式子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大型和復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

7）提供了JTAG（Joint Test Action Group）標(biāo)準(zhǔn)測試接口（IEEE 1149標(biāo)準(zhǔn)接口），便于DSP作片上的在線仿真和多DSP條件下的調(diào)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(tǒng)具有如下幾個(gè)主要技術(shù)特點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)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(shù)字系統(tǒng)或設(shè)備相互兼容。

3）開發(fā)方便，可以靈活地通過軟件對系統(tǒng)的特性和應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行修改和升級。

4）具有良好的系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)集成或使用SOC技術(shù)，可以提供高度的規(guī)范性。

典型的DSP嵌入式系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信硬件支持，同時(shí)也提供了通過網(wǎng)絡(luò)開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)條件。在DSP嵌入式系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)接口具有十分重要的作用，同時(shí)由于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，要求嵌入式系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)接口必須能滿足不同開發(fā)系統(tǒng)的要求，因此除了包含IEEE1394-2(USB火線)外，還應(yīng)當(dāng)包含有傳統(tǒng)的RS232和IEEE488接口，以及以太網(wǎng)接口和相應(yīng)的TCP/IP協(xié)議。

從圖1可以看出，如果不考慮用戶應(yīng)用電路，則DSP嵌入式系統(tǒng)就可以形成一個(gè)獨(dú)立的通用高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這個(gè)高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不僅具有數(shù)據(jù)處理、可編程開發(fā)和多DSP并行應(yīng)用的特點(diǎn)，還具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，可以完全滿足信息網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求。

圖2是一個(gè)DSP嵌入式系統(tǒng)和PLC形成的工業(yè)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。從圖2可以看出，如果DSP嵌入式系統(tǒng)的資源不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，可以采用附加DSP系統(tǒng)或增加一個(gè)完整的DSP嵌入式系統(tǒng)的方法加以解決，而不需要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行大的改動。

DSP嵌入式系統(tǒng)最重要的技術(shù)特性就是具有相當(dāng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，從現(xiàn)代信息技術(shù)角度看，在系統(tǒng)中嵌入DSP的目的，就是為了增強(qiáng)系統(tǒng)的信息處理能力。因此，DSP嵌入式系統(tǒng)與微處理器嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用特性上有很大的不同。

為了提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息處理能力，DSP嵌入式系統(tǒng)可提供許多重要的數(shù)據(jù)處理算法，其中一個(gè)重要的內(nèi)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(tǒng)中，并行算法的實(shí)現(xiàn)往往比較復(fù)雜，而對于DSP嵌入式系統(tǒng)，由于系統(tǒng)中DSP器件中采用的哈佛結(jié)構(gòu)、浮點(diǎn)運(yùn)算以及并行乘加運(yùn)算，所以可比較容易地實(shí)現(xiàn)并行算法和一些并行系統(tǒng)操作的軟件編程。從硬件角度看，DSP器件的多總線結(jié)構(gòu)和片內(nèi)DMA電路與局部總線，為并行算法與并行操作提供了硬件支持。

使用嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)重要目的，就是要用簡單的方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)。憑借DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)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(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)終端的直接操作。例如在圖2中，可以直接利用DSP系統(tǒng)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(tǒng)資源、提高系統(tǒng)的性能和技術(shù)指標(biāo)，又可以降低系統(tǒng)的整體成本。

由于采用高度集成，在簡化終端電路復(fù)雜程度的同時(shí)，也帶來了數(shù)據(jù)流量大的問題。例如，如果對一個(gè)終端需要進(jìn)行比較復(fù)雜的濾波、信息提取和識別，終端設(shè)備只起到數(shù)據(jù)采集的作用就可以了，這時(shí)的數(shù)據(jù)流量將會遠(yuǎn)大于僅完成設(shè)置和傳遞系統(tǒng)操作命令所需要的數(shù)據(jù)流量。如果系統(tǒng)中有幾個(gè)這樣的終端，則會使數(shù)據(jù)處理流量遠(yuǎn)大于DSP系統(tǒng)所具有的處理能力。因此，一般采用DSP嵌入式系統(tǒng)，必須注意不要增加數(shù)據(jù)流量，而是充分利用DSP的數(shù)據(jù)處理能力，強(qiáng)化系統(tǒng)的管理、操作以及遠(yuǎn)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(tǒng)，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(tǒng)單元，再利用這些智能單元組成復(fù)雜的智能網(wǎng)絡(luò)。

嵌入式系統(tǒng)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(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)中可以采用微處理器、單片機(jī)或DSP，其中DSP嵌入式系統(tǒng)不僅具有其他微處理器和單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)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(shù)字信號處理的能力，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提供了有力的支持。

與傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)(即單板機(jī)、PC機(jī)等)相比較，嵌入式系統(tǒng)更有利于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和智能系統(tǒng)應(yīng)用，由于嵌入式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單片化，因此使得嵌入式系統(tǒng)幾乎可以用于任何一種數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用場合。嵌入式系統(tǒng)，特別是DSP單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要支柱?！?/font>