DSP器件為核心的嵌入式系統(tǒng)技術

嵌入式系統(tǒng)的目的是提供一個以多任務和網絡化為核心、易于開發(fā)的復雜數(shù)字系統(tǒng)。從數(shù)字技術和信息技術的角度看，嵌入式系統(tǒng)已成為現(xiàn)代信息網絡技術應用的基礎技術，已成為現(xiàn)代工控領域的基本技術。

使用嵌入式系統(tǒng)技術，不僅可以實現(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”的基本工具。從計算機和信息網絡技術發(fā)展的角度看，嵌入式系統(tǒng)標志著網絡化計算時代的到來，標志著計算機應用進入了“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)在計算機應用具有里程碑的意義。

本文將討論DSP內核嵌入式系統(tǒng)或芯片的基本技術特征，以及這種嵌入式系統(tǒng)的應用技術特點。

嵌入式系統(tǒng)實際上就是一個集成化的計算機系統(tǒng)。隨著信息技術的發(fā)展，應用領域還對嵌入式系統(tǒng)提出了網絡化功能，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)在芯片技術的進步，以及芯片技術限制下的算法與軟件的進步上。對于嵌入式系統(tǒng)來說，核心是具有數(shù)據處理和系統(tǒng)管理能力的計算機系統(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，使用具有強大數(shù)據處理功能的DSP器件也可以組成一個嵌入式系統(tǒng)，并且可以充分發(fā)揮DSP器件在數(shù)據處理方面的優(yōu)勢，改善嵌入式系統(tǒng)的實時操作特性。

所謂DSP嵌入式系統(tǒng)，實際上就是把DSP系統(tǒng)嵌入到應用電子系統(tǒng)中的一種通用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有DSP系統(tǒng)的所有技術特征，同時還具有應用目標所需要的技術特征。DSP嵌入式系統(tǒng)不再是一個專用的DSP系統(tǒng)，而是一個完整的、具有多任務和實時操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)，以這個計算機系統(tǒng)為基礎，可以十分方便地開發(fā)出用戶所需要的應用系統(tǒng)。

DSP器件是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號算法處理。按數(shù)據格式劃分，DSP器件可以分為定點和浮點兩種。

DSP芯片具有如下主要技術特性：

1）硬件上采用多總線哈佛（Harvard）結構，提高了數(shù)據的處理能力和速度。

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

4）設置有循環(huán)尋址（Circular addressing）、位倒序（bit-reversed）等特殊指令，有利于實現(xiàn)高健壯性的實時系統(tǒng)。

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

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

7）提供了JTAG（Joint Test Action Group）標準測試接口（IEEE 1149標準接口），便于DSP作片上的在線仿真和多DSP條件下的調試。

由于DSP器件的上述技術特性，使得以DSP器件為核心的DSP系統(tǒng)具有如下幾個主要技術特點：

1）數(shù)據處理速度快，具有良好的可編程實時特性。

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)的特性和應用目標進行修改和升級。

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）易于實現(xiàn)系統(tǒng)集成或使用SOC技術，可以提供高度的規(guī)范性。

典型的DSP嵌入式系統(tǒng)構成如圖1所示。

在圖1中，網絡通信接口不僅提供了DSP嵌入式系統(tǒng)的網絡通信硬件支持，同時也提供了通過網絡開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的技術條件。在DSP嵌入式系統(tǒng)中，網絡接口具有十分重要的作用，同時由于現(xiàn)代網絡技術的發(fā)展，要求嵌入式系統(tǒng)中的網絡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，還應當包含有傳統(tǒng)的RS232和IEEE488接口，以及以太網接口和相應的TCP/IP協(xié)議。

從圖1可以看出，如果不考慮用戶應用電路，則DSP嵌入式系統(tǒng)就可以形成一個獨立的通用高速數(shù)據處理系統(tǒng)，這個高速數(shù)據處理系統(tǒng)不僅具有數(shù)據處理、可編程開發(fā)和多DSP并行應用的特點，還具有強大的網絡功能，可以完全滿足信息網絡的技術要求。

圖2是一個DSP嵌入式系統(tǒng)和PLC形成的工業(yè)控制系統(tǒng)基本結構。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，可以采用附加DSP系統(tǒng)或增加一個完整的DSP嵌入式系統(tǒng)的方法加以解決，而不需要從系統(tǒng)結構上進行大的改動。

DSP嵌入式系統(tǒng)最重要的技術特性就是具有相當強大的數(shù)據處理功能，從現(xiàn)代信息技術角度看，在系統(tǒng)中嵌入DSP的目的，就是為了增強系統(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)在應用特性上有很大的不同。

為了提高系統(tǒng)的數(shù)據和信息處理能力，DSP嵌入式系統(tǒng)可提供許多重要的數(shù)據處理算法，其中一個重要的內容就是并行算法。這里的并行算法包含軟件和硬件兩個方面的概念。從軟件的角度看，在使用微處理器的嵌入式系統(tǒng)中，并行算法的實現(xiàn)往往比較復雜，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構、浮點運算以及并行乘加運算，所以可比較容易地實現(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器件的多總線結構和片內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)的一個重要目的，就是要用簡單的方法和技術實現(xiàn)復雜的系統(tǒng)。憑借DSP強大的數(shù)據和信息處理功能，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)的性能和技術指標，又可以降低系統(tǒng)的整體成本。

由于采用高度集成，在簡化終端電路復雜程度的同時，也帶來了數(shù)據流量大的問題。例如，如果對一個終端需要進行比較復雜的濾波、信息提取和識別，終端設備只起到數(shù)據采集的作用就可以了，這時的數(shù)據流量將會遠大于僅完成設置和傳遞系統(tǒng)操作命令所需要的數(shù)據流量。如果系統(tǒng)中有幾個這樣的終端，則會使數(shù)據處理流量遠大于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)據流量，而是充分利用DSP的數(shù)據處理能力，強化系統(tǒng)的管理、操作以及遠程通信功能。此外，還可以使用廉價的DSP器件形成低價位的DSP嵌入式系統(tǒng)，使信息處理成為網絡終端的基本功能，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雜的智能網絡。

嵌入式系統(tǒng)已經與SOC技術融合在一起，成為新一代信息技術的基礎。嵌入式系統(tǒng)中可以采用微處理器、單片機或DSP，其中DSP嵌入式系統(tǒng)不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點和技術特性，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，為實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性提供了有力的支持。

與傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)(即單板機、PC機等)相比較，嵌入式系統(tǒng)更有利于網絡應用和智能系統(tǒng)應用，由于嵌入式系統(tǒng)可以實現(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)應用場合。嵌入式系統(tǒng)，特別是DSP單片機系統(tǒng)已經成為現(xiàn)代電子技術、計算機技術和信息網絡技術的重要支柱?！?/font>