ARM/DSP双核系统的通信接口设计
| 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。早期的嵌入式系统硬件核心是各种类型的8位和16位单片机；而近年来32位处理器以其高性能、低价格，得到了广泛的应用。近年来，又出现了另一类数据密集处理型芯片dsp。dsp由于其特殊的结构、专门的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地实现各种数字信号处理及满足各种高实时性要求。随着现代嵌入式系统的复杂度越来越高，操作系统已成为嵌入式系统不可缺少的部分。免费的嵌入式操作系统，如linux等，随着自身不断的改善，得到了飞速的发展。linux是一个免费的、强大的、可信赖的、具有可伸缩性与扩充性的操作系统。linux实现了许多现代化操作系统的理论，并且支持完整的硬件驱动程序、网络通信协议与多处理器的架构，其源码的公开更有利于操作系统嵌入式应用。 基于上述分析，笔者开发了基于arm和dsp芯片的双核嵌入式系统。系统充分利用了arm和dsp的各自特点，既可以使用arm和dsp芯片进行协同开发，也可以利用arm或dsp进行独立开发。操作系统选用了linux，以利于充分发挥系统的效能。 1 系统的总体设计 由于arm芯片的控制性能较强，在嵌入式系统中arm主要用于控制和少量的数据处理。这样，一方面要求cpu要低功耗和有足够的时钟频率来运行操作系统，以满足便携式的要求；另一方面也要求其有足够种类的接口，以利于性能的扩展。基于以上考虑，在开发平台中选用hy7202作为cpu。 dsp作为数据运算部分，可以充分发挥其对数字信号处理的独特优势。ti公司的c54xx系列16位定点dsp以其高性价比普遍应用于各类通信、便携式应用当中。考虑到对数字视频和数字图像等大数据吞吐量应用场合的处理要求，选用ti公司的tms320c5416芯片。其时钟频率最高可达到206 mhz，系统总体框图如图1所示。  图1系统整体硬件结构框图 系统软件平台结构如图2所示，软件平台分arm部分和dsp部分，以及arm和dsp的接口软件设计部分。arm部分以hynix公司patch的arm linux version 2.4.18为操作系统，并在此基础之上移植linux标准库glibc、libjpg、libpng、imlib、libwww、libflash及汉字库。图形界面以microwindows 0.9及其控件库flnx提供嵌入式图形界面平台。系统平台具有强大的网络通信功能，通过平台webserver、ftp、telnet、inetd等网络工具和应用程序能方便地开发基于internet的网络终端、远程控制、远程数据采集、远程数据处理产品。在应用程序层上，系统平台集成窗口管理程序，全中文化网络浏览器(支持html、xml)，flash播放器(支持flash4、flash5、flash6)，文本编辑器，游戏等用于pda开发，机顶盒上网解决方案，以及可用于嵌入式数据采集、处理的虚拟示波器等。  图2系统软件的总体结构 dsp部分通过提供完整的hpi驱动程序(dsp部分)及通信协议，通过增加相应数据处理程控制算法程序，利用hpi并行接口与主机arm通信进行数据交换，可用于各种实时处理，控制领域。 此外，dsp和arm可以各自作为独立的系统使用，它们均有完整的子系统软件。子系统之间联系的核心是dsp器件本身带有的hpi接口。 2 arm和dsp的通信接口设计 （1） dsp的hpi口介绍 hpi是tms320c54x等芯片提供的一种并行端口，专门用于dsp和外部主机并行通信。hpi接口有标准hpi接口和增强型hpi接口。对于c5416和c5420dsp器件，它们的主机接口为增强型主机接口。标准hpi接口是一个8位总线接口，通过2个8位字节组合在一起形成1个16字。增强型hpi接口分8位和16位两种。8位增强型主机接口和标准hpi接口操作时序一样，主要区别在于标准型只能访问2 kb专用ram，而增强型可以访问dsp的整个ram区。16位增强型hpi接口采用16位总线，只要一个主机操作就能完成访问操作。 （2） hpi硬件连线 hms30c7202与tms320c5416接口电路如图3所示。系统将hpi接口所有控制寄存器、地址寄存器、数据寄存器统一编址，映射到hms30c7202物理地址0x0c000000开始的i/o内存空间。  图3dsp和主机双向通信 利用地址线ra\[3:0\]产生hpi访问所需的控制信号。a0与a1决定访问寄存器类型。a2决定访问的是第一个字节还是第二个字节：a2＝0时，表示写入的数据为第一个字节；a2＝1时，表示写入的数据为第二个字节。在hpi－8中所有地址线和控制线是在hds1和hds2的下降沿采样，而不是由hr/w决定，因此hr/w通过地址线a3表示当前操作是读还是写，而数据锁存信号由nrcs3和nrw0相与后共同产生。kscan[2]设置为hms30c7202的porta中断输入脚，dsp通过中断方式与linux底层hpi驱动程序通信。 3 arm和dsp的通信接口驱动程序设计 linux是unix操作系统的一种变种。在linux下编写驱动程序的原理和思想完全类似于其他的unix系统，但它和dos或window环境下的驱动程序有很大的区别。linux驱动程序可以编译进内核，也可以模块形式动态地加入和卸载。linux的这种特点可根据目标系统裁减内核，更适合于嵌入式系统。 （1） linux驱动程序基本原理 在linux中所有设备分为字符设备、块设备和网络设备三种，所有设备都看成普通文件，因此可以通过用操纵普通文件相同的系统调用来打开、关闭、读取和写入设备。系统中每个设备都用一种设备特殊文件来表示。 在linux中，设备驱动程序是一组相关函数的集合。它包含设备服务子程序和中断处理程序，每个设备服务子程序只处理一种设备或者紧密相关的设备。其目的就是从与设备无关的软件中接受抽象的命令并执行。当执行一条请求时，具体操作是根据控制器驱动程序提供的接口，并利用中断机制去调用中断服务子程序配合设备来完成这个请求。设备程序利用结构file_operations与文件系统联系起来。在linux下驱动程序装载如图4所示。  图4模块连接到内核示意 （2） hpi驱动程序 hpi接口可用i/o端口方式,也可以用i/o存取方式。系统平台采用i/o存取方式，将hpi访问控制寄存器、数据寄存器、地址寄存器，映射到内存物理地址为0x0c000000开始的空间，通过访问存储器指令对hpi进行操作。hpi具体物理地址定义如下： #definehpi_base0x0c000000//hpi基地址 #define hpd_read_lowhpi_base+0x0012 //读数据寄存器第一字节 #define hpa_write_highhpi_base+0x000c //写地址寄存器第二字节 在linux下，类似windows，程序不能直接访问物理地址。设备驱动程序是内核的一部分，它像内核中其他代码一样运行在内核模式，驱动程序如果出错就会使系统受到严重破坏，因此需要将物理地址映射到内核空间。在linux下通过virtul_address=(u32)ioremap(hpi_base,hpi_length)实现。驱动程序主要结构如下： struct file_operations hpi_fops={ owner:this_module, read: hpi_read, write: hpi_write, poll : hpi_poll, open: hpi_open, release: hpi_release, }; hpi通信协议采用帧结构，由于增强型hpi接口允许访问dsp内部ram所有空间，系统通信在dsp内部分配2 k字(16位)作为帧缓冲区，读写各1 k字，协议采用一位滑动窗口协议。帧格式如表1所列。  结语 本文介绍了使用arm和dsp双cpu构成的双核嵌入式系统的硬件平台，以及源代码开放的linux作为嵌入式系统中操作系统的方法，给出了系统设计的总体框图，详细介绍了arm和dsp通信接口的设计。这一设计方法可以适用于大多数现代嵌入式系统的设计，有一定的实用价值。 参考文献 1 http://www.kernel.org 2 www.linuxdevices.com 3 http://kernelnewbies.org/documents/kdoc 4 michacl k.johnson erik w.troan. linux编程权威指南. 龙华乔，胡以迳译. 北京：中国电力出版社，2001 5 徐盛，胡剑凌. 数字信号处理器开发实践. 上海：上海交通大学出版社，2003 6 胡剑凌，徐盛. 数字信号处理系统的应用和设计. 上海：上海交通大学出版社，2003 编辑： |
