DSP系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)論文

1、DSP系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)論文近年來，計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā) 展表現(xiàn)得尤為明顯。DSP芯片制造商和DSP板開發(fā)商利用自身的優(yōu)勢不 斷開發(fā)出多DSP結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品來滿足這種需求。通常的 DSP設(shè)備是與嵌 入式系統(tǒng)相結(jié)合，來實(shí)時(shí)地完成某一特定任務(wù)。隨著信號(hào)采集速度和 處理速度的要求越來越高，許多領(lǐng)域都需要進(jìn)行多處理器運(yùn)算，其中 包括醫(yī)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(tǒng)可以根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)的功能和處理器的性能來調(diào)節(jié)處理結(jié)點(diǎn)的數(shù) 目，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的性能價(jià)格比。實(shí)際上，只有從芯片開始仔細(xì)設(shè)計(jì)，才能方便地實(shí)現(xiàn)多處理器系 統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能。這里選用的是AD公司新出品的 SH

2、ARC級(jí)處理器ADSP21160ADSP21160具有很大的片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)、多重內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)、獨(dú)立的 I/O子系統(tǒng)；具有構(gòu)造多處理器系統(tǒng)的所有特點(diǎn)，能夠真正支持處理器 數(shù)目的可調(diào)節(jié)功能，十分適合組成高性能浮點(diǎn)的多 DSP系統(tǒng)。VxWorks是目前世界上用戶數(shù)量最大的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。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(yīng)用軟件支持、良好的技術(shù) 服務(wù)和可靠的系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于它具有以上優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)中選用了 VxWorks作為MVME16的操作系統(tǒng)。、ADSP21160勺特點(diǎn)ADSP21160是AD公司采用超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)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

3、令流多數(shù)據(jù)流）功 能；而2106X只具有SISD （單指令流單數(shù)據(jù)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(yùn)算核、雙端片內(nèi) SRAM 1個(gè)支持多處理器的集成在片 內(nèi)的I/O處理器和多重內(nèi)部總線以消除I/O瓶頸。ADSP21160的匯編源代碼與 2106x兼容。SIMD計(jì)算結(jié)構(gòu)：2個(gè)32bit的計(jì)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(shè)備接口功能。包括獨(dú)立的I/O處理器、4Mbit的片內(nèi)雙端SRAM可直接連接的多處理器特性及端口（串 口、連接口、外總線及JTAG。ADSP21160包括

4、2個(gè)運(yùn)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的有效是通過設(shè)置MODE1 寄存器中的PEYEN位來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)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(zhí)行，但每一個(gè)處理器單元中的操作數(shù)不同。SIMD模式在存儲(chǔ)區(qū)和處理器單元之間的數(shù)據(jù)傳輸也是很有作用 的。當(dāng)使用SIMD模式，通過加倍數(shù)據(jù)帶寬來保證處理器單元的操作。 在SIMD模式，當(dāng)使用DAGs來傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)區(qū)每次訪問所傳輸?shù)?是兩個(gè)數(shù)據(jù)值。ADSP2116(包括4Mbit的片內(nèi)SRAM分為兩塊，每一塊 2Mbit?？梢远x為不同字長的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。每一個(gè)存儲(chǔ)塊的雙端口結(jié)構(gòu)

5、可 以使存儲(chǔ)塊獨(dú)立地被運(yùn)算核處理和I/O處理器訪問。21160的存儲(chǔ)區(qū)最 大可以容納128K的32bit 數(shù)據(jù)，或 256K的16bit 數(shù)據(jù)，或 85K的 48bit指令，或其他混合字長的數(shù)據(jù)，但總和最大為4Mbit。所有存儲(chǔ)區(qū)可以16、32、48、64bit字長的字訪問。 外端口支持處理器與片外 存儲(chǔ)器及外設(shè)的接口，片外的4G地址空間屬于21160的統(tǒng)一地址空間。外端口支持同步、異步及同步 BURS訪問。DMA$制器的操作相對(duì) 處理器運(yùn)算核是獨(dú)立和不可見的，即DMA操作可與執(zhí)行指令同時(shí)進(jìn)行。DMA傳輸可以在內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)與外部存儲(chǔ)區(qū)、外圍設(shè)備或主機(jī)之間進(jìn) 行。21160共有14個(gè)DMA

6、4;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 DMA傳輸 來下載程序，外圍異步設(shè)備也可以通過DMA請(qǐng)求/應(yīng)答線來控制2個(gè)DMA® 道。21160具有許多特點(diǎn)支持多DSP系統(tǒng)。外端口與連接口支持多處理 器系統(tǒng)的直接連接，外端口支持統(tǒng)一的地址空間，允許DSP之間互相訪問。片內(nèi)具有分布式總線仲裁邏輯，最多支持6片21160和主機(jī)連接。外端口的最大數(shù)據(jù)傳輸率為 400MB/S廣播寫信號(hào)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(xiàn)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)

7、系統(tǒng)基于VME總線。VME總線系統(tǒng)作為最早的國際通用開放式 總線，自1981年起，經(jīng)歷了近20年的發(fā)展。其影響不斷擴(kuò)大，功能 不斷完善，現(xiàn)已成為性能最好、應(yīng)用最廣的國際總線標(biāo)準(zhǔn)之一。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用了 4片ADSP21160片外共享內(nèi)存SRAM可以 被主機(jī)和各片DSP直接訪問；EPROI用來存放初始化程序和各片 DSF要 運(yùn)行的程序，在系統(tǒng)上電后這些程序被下載到各片DSP中；LEDs用來顯示插件的狀態(tài)，如reset、normal等。每一片都有1個(gè)連接口連到 插件的前面板，這樣前端采集來的數(shù)據(jù)就可以很方便地傳輸?shù)蕉郉SP上，而且也使數(shù)據(jù)的傳輸模式更加靈活。連接口 (linkport) 是SHA

8、R係列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(yùn)行 時(shí)，每個(gè)連接口可達(dá)100MB/&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(dú)立地同時(shí)操作，通過連接口的數(shù)據(jù)封裝成48/32bit字長后，可以從片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)直接被運(yùn)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(shù)據(jù)傳輸可編程，硬件由時(shí)鐘/應(yīng) 答握手線控制。4片DSP使用連接口實(shí)現(xiàn)DSP間兩兩互連。21160的主機(jī)接口可以很方便地與標(biāo)準(zhǔn)微處理器總線(16/32bit) 相連，幾乎不需要額外硬件。主機(jī)通過21160的外端口對(duì)其進(jìn)行訪問，存儲(chǔ)區(qū)地址映射為

9、統(tǒng)一的地址空間。4個(gè)DMA通道可以用于主機(jī)接口，代碼和數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖_銷很小，主處理器通過HBR HBG和REDY信號(hào)線與21160進(jìn)行通信，主機(jī)可以對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行直接讀寫。二、開發(fā)環(huán)境TornadoVxWorks的開發(fā)環(huán)境是WindRiver公司提供的Tornado。Tornado 采用主機(jī)-目標(biāo)機(jī)開發(fā)方式，主機(jī)系統(tǒng)可采用運(yùn)行Sun Solaris、HP-UX以及 Win95/NT的工作站或個(gè)人計(jì)算機(jī)，VxWorks則運(yùn)行在 Intelx86、MC68K PowerPC或SPARC等處理器上。Tornado支持各種主機(jī)- 目標(biāo)機(jī)連接方式，如以太網(wǎng)、串行線、在線仿真器和ROM仿真器。Torn

10、ado的體系結(jié)構(gòu)使得許多強(qiáng)有力的開發(fā)工具可以用于各種目標(biāo) 機(jī)系統(tǒng)和各種主機(jī)-目標(biāo)機(jī)連接方式下，而不受制于目標(biāo)機(jī)的資源和通 信機(jī)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)境的開發(fā)，小到資源極其有限的個(gè)人手持式設(shè)備如PDA( PersonalDigital Assista nt );大到多處理機(jī)系統(tǒng)，如 VME系統(tǒng)。Tornado可提供一個(gè)直觀的、可視化的、用戶可擴(kuò)充的開發(fā)環(huán)境， 極大縮短了開發(fā)周期。同時(shí)，由于Tornado是一個(gè)完全的開放系統(tǒng)，使得集成第三方開發(fā)工具變得十分容易。主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的通信是通過運(yùn)行各自處理器上的代理進(jìn)程來 完成的，使主機(jī)上的開發(fā)工具和目標(biāo)

11、機(jī)的操作系統(tǒng)可以完全脫離相互 連接的方式。為了擺脫主機(jī)-目標(biāo)機(jī)通信帶寬和目標(biāo)機(jī)資源的限制，Tornado將傳統(tǒng)的目標(biāo)機(jī)方的工具遷移到主機(jī)上，如shell、loader和符號(hào)表等。這樣，系統(tǒng)不再需要額外的時(shí)間和帶寬在主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間交換 信息，降低了對(duì)連接帶寬的需求，也避免了目標(biāo)機(jī)的資源（如內(nèi)存） 被工具或符號(hào)表大量占用，使得應(yīng)用程序擁有更多的系統(tǒng)資源。同時(shí) 這種遷移也使得各種主機(jī)開發(fā)工具獨(dú)立于目標(biāo)機(jī)存在，從而使同一主 機(jī)平臺(tái)上的工具可以用于所有的目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)。作為一個(gè)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，Tornado提供了友好的可視化開發(fā)界 面、交叉編譯環(huán)境、源碼級(jí)調(diào)試工具、目標(biāo)機(jī)命令解釋器和目標(biāo)機(jī)狀 態(tài)監(jiān)視器等

12、多種應(yīng)用工具，為應(yīng)用軟件開發(fā)提供了一個(gè)高效而可靠的 平臺(tái)。三、程序設(shè)計(jì)我們選用的DSP開發(fā)工具是AD公司提供的VisualDSP。這是一個(gè) 集成開發(fā)環(huán)境，支持對(duì) SHARC系列DSP芯片的開發(fā)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks的開發(fā)工具是 WindRiver公司的Tornado集成開發(fā)工具。 VisualDSP可以C語言或匯編語言編寫的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(tǒng)的軟件模擬。ADSP2116 0陣列的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使它既可以構(gòu)成單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD的并行處理機(jī)，也可以構(gòu)成多指

13、令流單數(shù)據(jù)流（ MISD或多 指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD的流水線處理機(jī)，視用戶的要求而定。這兩 種并行方案的選擇，簡單來說就是選擇分割數(shù)據(jù)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(yàn)室承擔(dān)的水聲信號(hào)處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)以VME總線為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，前端調(diào)理模件、模數(shù)轉(zhuǎn)換模件和前端控制模件等 為VMEft件，采用SHARC級(jí)DSP芯片陣列完成聲納信號(hào)實(shí)時(shí)處理，基 于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks及X窗口系統(tǒng)的中央控制和顯示。圖2是4片DSP的任務(wù)分配圖。從前端采集來的信號(hào)，經(jīng)波束形 成和復(fù)解調(diào)，再經(jīng)過窄帶濾波后的信號(hào)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

14、是對(duì)復(fù)信號(hào)求模，根據(jù)信號(hào)幅度 判決有無目標(biāo)存在。頻域處理分兩種情況：當(dāng)發(fā)射信號(hào)為單頻脈沖 時(shí)，進(jìn)行功率譜估計(jì)，然后根據(jù)多普勒頻移估計(jì)目標(biāo)速度；當(dāng)發(fā)射信 號(hào)為雙曲調(diào)頻信號(hào)時(shí)，進(jìn)行相關(guān)處理。聲納綜合數(shù)據(jù)處理主要包括主動(dòng)聲納信號(hào)處理和被動(dòng)聲納信號(hào)處 理。其中，主動(dòng)聲納信號(hào)處理又根據(jù)發(fā)射信號(hào)的不同，分為非相干處 理、相干處理、功率譜處理。聲納綜合數(shù)據(jù)處理主要完成：目標(biāo)自動(dòng) 檢測、目標(biāo)參數(shù)測定和動(dòng)目標(biāo)跟蹤。四、操作流水線操作流水線是模塊內(nèi)數(shù)據(jù)計(jì)算與I/O的流水線，物理上表現(xiàn)為 CPU 與I/O端口的DMA之間的并行。在前端處理中由于數(shù)據(jù)率高，通信開 銷很大。以通信任務(wù)最為繁重的復(fù)解調(diào)和多普勒補(bǔ)償模塊為例

15、，輸入 數(shù)據(jù)率為2Mw/s,輸出數(shù)據(jù)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?shù)脑挘ㄐ艜r(shí)間就將占用60%以上的處理時(shí)間，計(jì)算時(shí)間顯然嚴(yán)重不足。所以必須采用并行執(zhí)行，流程圖 如圖3所示。這也是一種異步流水線方式，每次傳送和計(jì)算完成都須 要設(shè)置標(biāo)志以通知下一操作。結(jié)束語在VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下，4片ADSP2116C上的程序已經(jīng)通過模 擬輸入和系統(tǒng)測試。采用 SHARC DSP車列能夠很好地完成聲納信號(hào)實(shí) 時(shí)處理,每一片DSPS少有10%勺計(jì)算裕量，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。送到各片21160。6個(gè)連接口提供了另一種方法實(shí)現(xiàn)多處理器之間 的通信。連接口的

16、最高傳輸速率為 600MB/S整個(gè)系統(tǒng)基于VME總線。VME總線系統(tǒng)作為最早的國際通用開放式 總線，自1981年起，經(jīng)歷了近20年的發(fā)展。其影響不斷擴(kuò)大，功能 不斷完善，現(xiàn)已成為性能最好、應(yīng)用最廣的國際總線標(biāo)準(zhǔn)之一。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用了 4片ADSP21160片外共享內(nèi)存SRAM可以 被主機(jī)和各片DSP直接訪問；EPRO用來存放初始化程序和各片 DSF要 運(yùn)行的程序，在系統(tǒng)上電后這些程序被下載到各片 DSP中；LEDs用來顯示插件的狀態(tài)，如reset、normal等。每一片都有1個(gè)連接口連到 插件的前面板，這樣前端采集來的數(shù)據(jù)就可以很方便地傳輸?shù)蕉郉SP上，而且也使數(shù)據(jù)的傳輸模式更加靈活。連接

17、口 (linkport) 是SHAR係列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(yùn)行 時(shí)，每個(gè)連接口可達(dá)100MB/&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(dú)立地同時(shí)操作，通過連接口的數(shù)據(jù)封裝成48/32bit字長后，可以從片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)直接被運(yùn)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(shù)據(jù)傳輸可編程，硬件由時(shí)鐘/應(yīng) 答握手線控制。4片DSP使用連接口實(shí)現(xiàn)DSP間兩兩互連。21160的主機(jī)接口可以很方便地與標(biāo)準(zhǔn)微處理器總線(16/32bit) 相連，幾乎不需要額外硬件。主機(jī)通過21160的外

18、端口對(duì)其進(jìn)行訪問，存儲(chǔ)區(qū)地址映射為統(tǒng)一的地址空間。4個(gè)DMA!道可以用于主機(jī)接口，代碼和數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖_銷很小，主處理器通過HBR HBG和REDY信號(hào)線與21160進(jìn)行通信，主機(jī)可以對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行直接讀寫。二、開發(fā)環(huán)境TornadoVxWorks的開發(fā)環(huán)境是WindRiver公司提供的Tornado。Tornado 采用主機(jī)-目標(biāo)機(jī)開發(fā)方式，主機(jī)系統(tǒng)可采用運(yùn)行 Sun Solaris、HP-UX 以及 Win95/NT的工作站或個(gè)人計(jì)算機(jī)，VxWorks則運(yùn)行在 Intelx86、MC68K PowerPC或SPARC等處理器上。Tornado支持各種主機(jī)- 目標(biāo)機(jī)連接方式，如以太網(wǎng)、串行

19、線、在線仿真器和ROM仿真器。Tornado的體系結(jié)構(gòu)使得許多強(qiáng)有力的開發(fā)工具可以用于各種目標(biāo) 機(jī)系統(tǒng)和各種主機(jī)-目標(biāo)機(jī)連接方式下，而不受制于目標(biāo)機(jī)的資源和通 信機(jī)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)境的開發(fā)，小到資源極其有限的個(gè)人手持式設(shè)備如PDA( PersonalDigital Assista nt);大到多處理機(jī)系統(tǒng)，如 VME系統(tǒng)。Tornado可提供一個(gè)直觀的、可視化的、用戶可擴(kuò)充的開發(fā)環(huán)境， 極大縮短了開發(fā)周期。同時(shí)，由于Tornado是一個(gè)完全的開放系統(tǒng)，使得集成第三方開發(fā)工具變得十分容易。主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的通信是通過運(yùn)行各自處理器上的代理進(jìn)程

20、來 完成的，使主機(jī)上的開發(fā)工具和目標(biāo)機(jī)的操作系統(tǒng)可以完全脫離相互 連接的方式。為了擺脫主機(jī)-目標(biāo)機(jī)通信帶寬和目標(biāo)機(jī)資源的限制，Tornado將傳統(tǒng)的目標(biāo)機(jī)方的工具遷移到主機(jī)上，如shell > loader和符號(hào)表等。這樣，系統(tǒng)不再需要額外的時(shí)間和帶寬在主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間交換 信息，降低了對(duì)連接帶寬的需求，也避免了目標(biāo)機(jī)的資源(如內(nèi)存) 被工具或符號(hào)表大量占用，使得應(yīng)用程序擁有更多的系統(tǒng)資源。同時(shí) 這種遷移也使得各種主機(jī)開發(fā)工具獨(dú)立于目標(biāo)機(jī)存在，從而使同一主 機(jī)平臺(tái)上的工具可以用于所有的目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)。作為一個(gè)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，Tornado提供了友好的可視化開發(fā)界 面、交叉編譯環(huán)境、源碼級(jí)調(diào)

21、試工具、目標(biāo)機(jī)命令解釋器和目標(biāo)機(jī)狀 態(tài)監(jiān)視器等多種應(yīng)用工具，為應(yīng)用軟件開發(fā)提供了一個(gè)高效而可靠的 平臺(tái)。三、程序設(shè)計(jì)我們選用的DSP開發(fā)工具是AD公司提供的VisualDSP。這是一個(gè) 集成開發(fā)環(huán)境，支持對(duì) SHARC系列DSP芯片的開發(fā)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks的開發(fā)工具是 WindRiver公司的Tornado集成開發(fā)工具。 VisualDSP可以C語言或匯編語言編寫的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(tǒng)的軟件模擬。ADSP2116 0陣列的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使它既可以構(gòu)成單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD的并行處理機(jī)，也可以構(gòu)成多指令流單數(shù)據(jù)流（ MISD或多 指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD的流水線處理機(jī)，視用戶的要求而定。這兩 種并行方案的選擇，簡單來說就是選擇分割數(shù)據(jù)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(yàn)室承擔(dān)的水聲信號(hào)處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)以VME總線為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，前端調(diào)理模件、