基于ARM和DSP雙CPU的雙核嵌入式系統硬件平臺設計

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統。早期的嵌入式系統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,又出現了另一類數據密集處理型芯片DSP。DSP由于其特殊的結構、專門的硬件乘法器和特殊的指令,使其能快速地實現各種數字信號處理及滿足各種高實時性要求。隨著現代嵌入式系統的復雜度越來越高,操作系統已成為嵌入式系統不可缺少的部分。免費的嵌入式操作系統,如 Linux等,隨著自身不斷的改善,得到了飛速的發展。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。Linux實現了許多現代化操作系統的理論,并且支持完整的硬件驅動程序、網絡通信協議與多處理器的架構,其源碼的公開更有利于操作系統嵌入式應用。

基于上述分析,筆者開發了基于ARM和DSP芯片的雙核嵌入式系統。系統充分利用了ARM和DSP的各自特點,既可以使用ARM和DSP芯片進行協同開發,也可以利用ARM或DSP進行獨立開發。操作系統選用了Linux,以利于充分發揮系統的效能。

1 系統的總體設計

由于ARM芯片的控制性能較強,在嵌入式系統中ARM主要用于控制和少量的數據處理。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,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。基于以上考慮,在開發平臺中選用HY7202作為CPU。

DSP作為數據運算部分,可以充分發揮其對數字信號處理的獨特優勢。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。考慮到對數字視頻和數字圖像等大數據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,系統總體框圖如圖1所示。

系統軟件平臺結構如圖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,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。系統平臺具有強大的網絡通信功能,通過平臺WEBSERVER、FTP、TELNET、INETD等網絡工具和應用程序能方便地開發基于Internet的網絡終端、遠程控制、遠程數據采集、遠程數據處理產品。在應用程序層上,系統平臺集成窗口管理程序, 全中文化網絡瀏覽器(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, 機頂盒上網解決方案,以及可用于嵌入式數據采集、處理的虛擬示波器等。

基于ARM和DSP雙CPU的雙核嵌入式系統硬件平臺設計

DSP部分通過提供完整的HPI驅動程序(DSP部分)及通信協議,通過增加相應數據處理程控制算法程序,利用HPI并行接口與主機ARM通信進行數據交換,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使用,它們均有完整的子系統軟件。子系統之間聯系的核心是DSP器件本身帶有的HPI接口。

2 ARM和DSP的通信接口設計

（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位字節組合在一起形成1個16 字。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。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。

（2） HPI硬件連線

HMS30C7202與TMS320C5416接口電路如圖3所示。系統將HPI接口所有控制寄存器、地址寄存器、數據寄存器統一編址,映射到HMS30C7202物理地址0X0C000000開始的I/O內存空間。

基于ARM和DSP雙CPU的雙核嵌入式系統硬件平臺設計

利用地址線RA[3:0]產生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還是第二個字節：A2＝0 時,表示寫入的數據為第一個字節;A2＝1時,表示寫入的數據為第二個字節。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,而數據鎖存信號由nRCS3和nRW0相與后共同產生。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驅動程序通信。