嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。早期的嵌入式系統(tǒng)硬件核心是各種類型的8位和16位單片機(jī)；而近年來32位處理器以其高性能、低價格，得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，又出現(xiàn)了另一類數(shù)據(jù)密集處理型芯片dsp。dsp由于其特殊的結(jié)構(gòu)、專門的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理及滿足各種高實時性要求。隨著現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高，操作系統(tǒng)已成為嵌入式系統(tǒng)*的部分。免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng)，如linux等，隨著自身不斷的改善，得到了飛速的發(fā)展。linux是一個免費(fèi)的、強(qiáng)大的、可信賴的、具有可伸縮性與擴(kuò)充性的操作系統(tǒng)。linux實現(xiàn)了許多現(xiàn)代化操作系統(tǒng)的理論，并且支持完整的硬件驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與多處理器的架構(gòu)，其源碼的公開更有利于操作系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用。

　　基于上述分析，筆者開發(fā)了基于arm和dsp芯片的雙核嵌入式系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用了arm和dsp的各自特點，既可以使用arm和dsp芯片進(jìn)行協(xié)同開發(fā)，也可以利用arm或dsp進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)。操作系統(tǒng)選用了linux，以利于充分發(fā)揮系統(tǒng)的效能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　由于arm芯片的控制性能較強(qiáng)，在嵌入式系統(tǒng)中arm主要用于控制和少量的數(shù)據(jù)處理。這樣，一方面要求cpu要低功耗和有足夠的時鐘頻率來運(yùn)行操作系統(tǒng)，以滿足便攜式的要求；另一方面也要求其有足夠種類的接口，以利于性能的擴(kuò)展。基于以上考慮，在開發(fā)平臺中選用hy7202作為cpu。

　　dsp作為數(shù)據(jù)運(yùn)算部分，可以充分發(fā)揮其對數(shù)字信號處理的*優(yōu)勢。ti公司的c54xx系列16位定點dsp以其高性價比普遍應(yīng)用于各類通信、便攜式應(yīng)用當(dāng)中?？紤]到對數(shù)字視頻和數(shù)字圖像等大數(shù)據(jù)吞吐量應(yīng)用場合的處理要求，選用ti公司的tms320c5416芯片。其時鐘頻率zui高可達(dá)到206 mhz，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　圖1系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　 系統(tǒng)軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，軟件平臺分arm部分和dsp部分，以及arm和dsp的接口軟件設(shè)計部分。arm部分以hynix公司patch的arm linux version 2.4.18為操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)之上移植linux標(biāo)準(zhǔn)庫glibc、libjpg、libpng、imlib、libwww、libflash及漢字庫。圖形界面以microwindows 0.9及其控件庫flnx提供嵌入式圖形界面平臺。系統(tǒng)平臺具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，通過平臺webserver、ftp、net、inetd等網(wǎng)絡(luò)工具和應(yīng)用程序能方便地開發(fā)基于internet的網(wǎng)絡(luò)終端、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品。在應(yīng)用程序?qū)由?，系統(tǒng)平臺集成窗口管理程序，全中文化網(wǎng)絡(luò)瀏覽器(支持html、xml)，flash播放器(支持flash4、flash5、flash6)，文本編輯器，游戲等用于pda開發(fā)，機(jī)頂盒上網(wǎng)解決方案，以及可用于嵌入式數(shù)據(jù)采集、處理的虛擬示波器等。

　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　圖2系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)

　　dsp部分通過提供完整的hpi驅(qū)動程序(dsp部分)及通信協(xié)議，通過增加相應(yīng)數(shù)據(jù)處理程控制算法程序，利用hpi并行接口與主機(jī)arm通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可用于各種實時處理，控制領(lǐng)域。

　　此外，dsp和arm可以各自作為獨(dú)立的系統(tǒng)使用，它們均有完整的子系統(tǒng)軟件。子系統(tǒng)之間的核心是dsp器件本身帶有的hpi接口。

2 arm和dsp的通信接口設(shè)計

（1） dsp的hpi口介紹

　　hpi是tms320c54x等芯片提供的一種并行端口，專門用于dsp和外部主機(jī)并行通信。hpi接口有標(biāo)準(zhǔn)hpi接口和增強(qiáng)型hpi接口。對于c5416和c5420dsp器件，它們的主機(jī)接口為增強(qiáng)型主機(jī)接口。標(biāo)準(zhǔn)hpi接口是一個8位總線接口，通過2個8位字節(jié)組合在一起形成1個16字。增強(qiáng)型hpi接口分8位和16位兩種。8位增強(qiáng)型主機(jī)接口和標(biāo)準(zhǔn)hpi接口操作時序一樣，主要區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)型只能訪問2 kbram，而增強(qiáng)型可以訪問dsp的整個ram區(qū)。16位增強(qiáng)型hpi接口采用16位總線，只要一個主機(jī)操作就能完成訪問操作。

（2） hpi硬件連線

　　hms30c7202與tms320c5416接口電路如圖3所示。系統(tǒng)將hpi接口所有控制寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器統(tǒng)一編址，映射到hms30c7202物理地址0x0c000000開始的i/o內(nèi)存空間。

　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　圖3dsp和主機(jī)雙向通信

　　利用地址線ra\[3:0\]產(chǎn)生hpi訪問所需的控制信號。a0與a1決定訪問寄存器類型。a2決定訪問的是*個字節(jié)還是第二個字節(jié)：a2＝0時，表示寫入的數(shù)據(jù)為*個字節(jié)；a2＝1時，表示寫入的數(shù)據(jù)為第二個字節(jié)。在hpi－8中所有地址線和控制線是在hds1和hds2的下降沿采樣，而不是由hr/w決定，因此hr/w通過地址線a3表示當(dāng)前操作是讀還是寫，而數(shù)據(jù)鎖存信號由nrcs3和nrw0相與后共同產(chǎn)生。kscan[2]設(shè)置為hms30c7202的porta中斷輸入腳，dsp通過中斷方式與linux底層hpi驅(qū)動程序通信。

3 arm和dsp的通信接口驅(qū)動程序設(shè)計

　　linux是unix操作系統(tǒng)的一種變種。在linux下編寫驅(qū)動程序的原理和思想*類似于其他的unix系統(tǒng)，但它和dos或window環(huán)境下的驅(qū)動程序有很大的區(qū)別。linux驅(qū)動程序可以編譯進(jìn)內(nèi)核，也可以模塊形式動態(tài)地加入和卸載。linux的這種特點可根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)裁減內(nèi)核，更適合于嵌入式系統(tǒng)。

（1） linux驅(qū)動程序基本原理

　　在linux中所有設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種，所有設(shè)備都看成普通文件，因此可以通過用操縱普通文件相同的系統(tǒng)調(diào)用來打開、關(guān)閉、讀取和寫入設(shè)備。系統(tǒng)中每個設(shè)備都用一種設(shè)備特殊文件來表示。

　　在linux中，設(shè)備驅(qū)動程序是一組相關(guān)函數(shù)的集合。它包含設(shè)備服務(wù)子程序和中斷處理程序，每個設(shè)備服務(wù)子程序只處理一種設(shè)備或者緊密相關(guān)的設(shè)備。其目的就是從與設(shè)備無關(guān)的軟件中接受抽象的命令并執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行一條請求時，具體操作是根據(jù)控制器驅(qū)動程序提供的接口，并利用中斷機(jī)制去調(diào)用中斷服務(wù)子程序配合設(shè)備來完成這個請求。設(shè)備程序利用結(jié)構(gòu)file_operations與文件系統(tǒng)起來。在linux下驅(qū)動程序裝載如圖4所示。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖4模塊連接到內(nèi)核示意

（2） hpi驅(qū)動程序

　　hpi接口可用i/o端口方式,也可以用i/o存取方式。系統(tǒng)平臺采用i/o存取方式，將hpi訪問控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器，映射到內(nèi)存物理地址為0x0c000000開始的空間，通過訪問存儲器指令對hpi進(jìn)行操作。hpi具體物理地址定義如下：
#definehpi_base0x0c000000//hpi基地址
#define hpd_read_lowhpi_base+0x0012
//讀數(shù)據(jù)寄存器*字節(jié)

#define hpa_write_highhpi_base+0x000c
//寫地址寄存器第二字節(jié)

　　在linux下，類似windows，程序不能直接訪問物理地址。設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它像內(nèi)核中其他代碼一樣運(yùn)行在內(nèi)核模式，驅(qū)動程序如果出錯就會使系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞，因此需要將物理地址映射到內(nèi)核空間。在linux下通過virtul_address=(u32)ioremap(hpi_base,hpi_length)實現(xiàn)。驅(qū)動程序主要結(jié)構(gòu)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通信協(xié)議采用幀結(jié)構(gòu)，由于增強(qiáng)型hpi接口允許訪問dsp內(nèi)部ram所有空間，系統(tǒng)通信在dsp內(nèi)部分配2 k字(16位)作為幀緩沖區(qū)，讀寫各1 k字，協(xié)議采用一位滑動窗口協(xié)議。幀格式如表1所列。
　　　　　

結(jié)語

　　本文介紹了使用arm和dsp雙cpu構(gòu)成的雙核嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，以及源代碼開放的linux作為嵌入式系統(tǒng)中操作系統(tǒng)的方法，給出了系統(tǒng)設(shè)計的總體框圖，詳細(xì)介紹了arm和dsp通信接口的設(shè)計。這一設(shè)計方法可以適用于大多數(shù)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，有一定的實用價值。

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