Linux下ARM/DSP雙核系統(tǒng)通信接口設計
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引 言
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；而近年來32位處理器以其高性能、低價格，得到了廣泛的應用。近年來，又出現(xiàn)了另一類數(shù)據(jù)密集處理型芯片DSP。DSP由于其特殊的結構、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)的復雜度越來越高，操作系統(tǒng)已成為嵌入式系統(tǒng)不可缺少的部分。免費的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux等，隨著自身不斷的改善，得到了飛速的發(fā)展。Linux是一個免費的、強大的、可信賴的、具有可伸縮性與擴充性的操作系統(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)絡通信協(xié)議與多處理器的架構，其源碼的公開更有利于操作系統(tǒng)嵌入式應用。
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芯片進行協(xié)同開發(fā)，也可以利用ARM或DSP進行獨立開發(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)的總體設計
由于ARM芯片的控制性能較強，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，以利于性能的擴展?；谝陨峡紤]，在開發(fā)平臺中選用HY7202作為CPU。
DSP作為數(shù)據(jù)運算部分，可以充分發(fā)揮其對數(shù)字信號處理的獨特優(yōu)勢。TI公司的C54xx系列16位定點DSP以其高性價比普遍應用于各類通信、便攜式應用當中?？紤]到對數(shù)字視頻和數(shù)字圖像等大數(shù)據(jù)吞吐量應用場合的處理要求，選用TI公司的TMS320C5416芯片。其時鐘頻率最高可達到206 MHz，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。[next]
系統(tǒng)軟件平臺結構如圖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)，并在此基礎之上移植Linux標準庫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)平臺具有強大的網(wǎng)絡通信功能，通過平臺WEBSERVER、FTP、TELNET、INETD等網(wǎng)絡工具和應用程序能方便地開發(fā)基于Internet的網(wǎng)絡終端、遠程控制、遠程數(shù)據(jù)采集、遠程數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品。在應用程序?qū)由?，系統(tǒng)平臺集成窗口管理程序，全中文化網(wǎng)絡瀏覽器(支持HTML、XML)，F(xiàn)lash播放器(支持Flash4、Flash5、Flash6)，文本編輯器，游戲等用于PDA開發(fā)，機頂盒上網(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。
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，通過增加相應數(shù)據(jù)處理程控制算法程序，利用HPI并行接口與主機ARM通信進行數(shù)據(jù)交換，可用于各種實時處理，控制領域。
此外，DSP和ARM可以各自作為獨立的系統(tǒng)使用，它們均有完整的子系統(tǒng)軟件。子系統(tǒng)之間聯(lián)系的核心是DSP器件本身帶有的HPI接口。
2 ARM和DSP的通信接口設計
?。?） 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和外部主機并行通信。HPI接口有標準HPI
接口和增強型HPI接口。對于C5416和C5420DSP器件，它們的主機接口為增強型主機接口。標準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位字節(jié)。增強型HPI接口分8位和16位兩種。8位增強型主機接口和標準HPI接口操作時序一樣，主要區(qū)別在于標準型只能訪問2 KB專用RAM，而增強型可以訪問DSP的整個RAM區(qū)。16位增強型HPI接口采用16位總線，只要一個主機操作就能完成訪問操作。[next]
（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。
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決定訪問的是第一個字節(jié)還是第二個字節(jié)：A2＝0時，表示寫入的數(shù)據(jù)為第一個字節(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完全類似于其他的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)目標系統(tǒng)裁減內(nèi)核，更適合于嵌入式系統(tǒng)。
?。?） Linux驅(qū)動程序基本原理
在Linux中所有設備分為字符設備、塊設備和網(wǎng)絡設備三種，所有設備都看成普通文件，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、關閉、讀取和寫入設備。系統(tǒng)中每個設備都用一種設備特殊文件來表示。
在Linux中，設備驅(qū)動程序是一組相關函數(shù)的集合。它包含設備服務子程序和中斷處理程序，每個設備服務子程序只處理一種設備或者緊密相關的設備。其目的就是從與設備無關的軟件中接受抽象的命令并執(zhí)行。當執(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，并利用中斷機制去調(diào)用中斷服務子程序配合設備來完成這個請求。設備程序利用結構file_operations與文件系統(tǒng)聯(lián)系起來。在Linux下驅(qū)動程序裝載如圖4所示。[next]
?。?） 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)寄存器第一字節(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)動程序主要結構如下：
struct file_operations hpi_fops={
owner:THIS_MODULE,
read: hpi_read,
writ
e: hpi_write,
poll : hpi_poll,
open: hpi_open,
release: hpi_release,
}; HPI通信協(xié)議采用幀結構，由于增強型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 KB(16位)作為幀緩沖區(qū)，讀寫各1 KB，協(xié)議采用一位滑動窗口協(xié)議。幀格式如表1所列。
結語
本文介紹了使用ARM和DSP雙CPU構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)設計的總體框圖，詳細介紹了ARM和DSP通信接口的設計。這一設計方法可以適用于大多數(shù)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的設計，有一定的實用價值。
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