以DSP器件为核心的嵌入式系统技术分析

嵌入式系统的目的是提供一个以多任务和网络为信心,易于开发的复杂数字系统。从数字技术和信息技术的角度看,嵌入式系统已成为现代信息网络技术应用的基础技术,已成为现代工控领域的基本技术。

使用嵌入式系统技术,不仅可以实现硬件和软件的优化集成,更主要的是提供了使用“数字基因技术”的基本工具。从计算机和信息网络技术发展的角度看,嵌入式系统标志着网络化计算机时代的到来,标志着计算机应用进入了“通用元素”化和“数字基因”化发展的新阶段,因此,嵌入式系统在计算机应用具有里程碑的意义。

本文将讨论DSP内核嵌入式系统或芯片的基本技术特征,以及这种嵌入式系统的应用技术特点。

以DSP为核心的嵌入式系统
 

　　嵌入式系统实际上就是一个集成化的计算机系统。随着信息技术的发展,应用领域还对嵌入式系统提出了网络化功能,这就促使嵌入式系统向着更高的集成化方向发展。

　　嵌入式系统的发展,主要体现在芯片技术的进步,以及芯片技术限制下的算法与软件的进步上。对于嵌入式系统来说,核心是具有数据处理和系统管理能力的计算机系统,因此,只要是以处理器系统为核心的器件,都可以形成嵌入式系统。这就是说,使用具有强大数据处理功能的DSP器件也可以组成一个嵌入式系统,并且可以充分发挥DSP器件在数据处理方面的优势,改善嵌入式系统的实时操作特性。

　　所谓DSP嵌入式系统,实际上就是把DSP系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统。这种系统具有DSP系统的所有技术特征,同时还具有应用目标所需要的技术特征。DSP嵌入式系统不再是一个专用的DSP系统,而是一个完整的、具有多任务和实时操作系统的计算机系统,以这个计算机系统为基本,可以十分方便地开发出用户所需要的应用系统。

DSP器件特点

　　DSP器件是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号算法处理。按数据格式划分,DSP器件可以分为定点和浮点两种。

DSP芯片具有如下主要技术特性：

1)硬件上采用多总线哈佛（Harvard）结构,提高了数据的处理能力和速度。

2)指令执行采用流水作业（pipeline）,具有较高的指令执行速度。

3)采用独立的硬件乘法/加法器（MAC）,极大地提高了数据处理速度。

4)设置有循环寻址（Circular addressing）、位倒序（bit-reversed）等特殊指令,有处于实现高健壮性的实时系统。

5）内部具有独立的DMA总线控制器,通过DSP器件中一组或多组独立的DMA总线,可以实现程序执行与数据传输并行工作。目前,在不影响CPU工作的条件下,片内DMA速度已达1600Mbyte/s以上。

6）提供了多处理器接口,可以十分方便地实现多个处理器并行或串行工作,不仅可以提高数据处理速度,还为使用嵌入式子系统实现大型和复杂嵌入式系统提供了技术基础。

7）提供了JTAG（Joint Test Action Group）标准测试接口（IEEE 1149标准接口）,便于DSP作片上的在仿真和多DSP条件下的调试。

　　由于DSP器件的上述技术特性,使得以DSP器件为核心的DSP系统具有如下几个主要技术特点：

1）数据处理速度快,具有良好的可编程实时特性。

2）硬件软件接口方便,可以十分方便地与其它数字系统或设备相互兼容。

3）开发方便,可以灵活地通过软件对系统的特性和应用目标进行修改和升级。

4）具有良好的系统健壮性,受环境温度以及噪声的影响较小、可靠性高。

5）易于实现系统集成或使用SOC技术,可以提供高度的规范性。

　　以DSP器件为核心的嵌入式系统基本硬件结构

　　典型的DSP嵌入式系统构成如图1所示。

　　在图1中,网络通信接口不仅提供了DSP嵌入式系统的网络通信硬支持,同时也提供了通过网络开发嵌入式系统的技术条件。在DSP嵌入式系统中,网络接口具有十分重要的作用,同时由于现代网络技术的发展,要求嵌入式系统中的网络接口必须能满足不同开发系统的要求,因此除了包含IEEE1394-2（USB火线）外,还应当包含有传统的RS232和IEEE488接口,以及以太网接口和相应的TCP/IP协议。

　　从图1可以看出,如果不考虑用户应用电路,则DSP嵌入式系统就可以形成一个独立的通用高速数据处理系统,这个高速数据处理系统不仅具有数据处理、可编程开发和多DSP并行应用的特点,还具有强大的网络功能,可以完全满足信息网络的技术要求。

　　图2是一个DSP嵌入式系统和PLC形成的工业控制系统基本结构。从图2可以看出,如果DSP嵌入式系统的资源不能满足系统要求时,可以采用附加DSP系统或增加一个完整的DSP嵌入式系统的方法加以解决,而不需要从系统结构上进行大的改动。 [p]

DSP嵌入式系统的应用特性

　　DSP嵌入式系统最重要的技术特性就是具有相当强大的数据处理功能,从现代信息技术角度看,在系统中嵌入DSP的目的,就是为了增强系统的信息处理能力。因此,DSP嵌入式系统与微处理器嵌入式系统在应用特性上有很大的不同。

并行操作

　　为了提高系统的数据和信息处理能力,DSP嵌入式系统可提供许多重要的数据处理算法,其中一个重要的内容就是并行算法。这里的并行算法包含软件和硬件两个方面的概念。从软件的角度看,在使用微处理器的嵌入式系统中,并行算法的实现往往比较复杂,而对于DSP嵌入式系统,由于系统中DSP器件中采用的哈佛结构、浮点运算以及并行乘加运算,所以可比较容易地实现并行算法和一些并行系统操作的软件编程。从硬件角度看,DSP器件的多总线结构和片同DMA电路与局部总线,为并行算法与并行操作提供了硬件支持。

直接终端操作

　　使用嵌入式系统的一个重要目的,就是要用简单的方法和技术实现复杂的系统。凭借DSP强大的数据和信息处理功能,使其具有直接处理终端信号和信息的能力,因此,在DSP嵌入式系统中,可以实现终端的直接操作。例如在图2中,可以直接利用DSP系统处理某个PLC测量的模拟信号,或者直接处理一组PLC采集的逻辑信号所携带的控制信息。这样就能大大降低对PLC的要求,即充分利用DSP嵌入式系统资源,提高系统的性能和技术指标,又可以降低系统的整体成本。

数据流量大

　　由于采用高度集成,在简化终端电路复杂程度的同时,也带来了数据流量大的问题,例如,如果对一个终端需要进行比较复杂的滤波、信息提取和识别,终端设备只起到数据采集的作用就可以了,这时的数据流量将会远大于仅完成设置和传递系统操作命令所需要的数据流量。如果系统中有几个这样的终端,则会使数据处理流量远大于DPS系统所具有的处理能力。因此,一般采用DSP嵌入式系统,必须注意不要增加数据流量,而是充分利用DSP的数据处理能力,强化系统的管理、操作以及远程通信功能。此外,还可以使用廉价的DSP器件形成低价位的DSP嵌入式系统,使信息处理成为网络终端的基本功能,从而形成具有信息处理能力的嵌入式系统单元,再利用这些智能单元组成复杂的智能网络。

结束语

　　嵌入式系统已经与SOC技术融合在一起,成为新一代信息技术的基础。嵌入式系统中可以采用微处理器、单片机或DSP,其中DSP嵌入式系统不仅具有其他微处理器和单片机嵌入式系统的优点和技术特性,而且还可使用并行算法操作,具有高速数字信号处理的能力,为实现系统的实时性提供了有力的支持。

　　与传统的单片机系统（即单板机、PC机等）相比较,嵌入式系统更有利于网络应用和智能系统应用,由于嵌入式系统可以实现单片机,因此使得嵌入式系统几乎可以用于任何一种数字系统应用场合。嵌入式系统,特别是DSP单片机系统已经成为现代电子技术、计算机技术和信息网络技术的重要支柱。