摘　要：簡要概述了DSP與單片機的關(guān)系，然后詳細介紹了DSP應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)，并對DSP應(yīng)用的未來趨勢——DSP和RTOS的結(jié)合進行了初步分析。 　　關(guān)鍵詞：DSP　實時操作系統(tǒng)　循環(huán)調(diào)度 1　DSP、MCU、MPU的關(guān)系 　　微控制器MCU通俗的稱呼是單片機，它與微處理器MPU是微機技術(shù)的兩大分支。MPU的發(fā)展動力是人類對無止境的海量數(shù)值運算的需求，速度越來越快。MCU的發(fā)展是為了滿足被控制對象的要求，向高可靠性、低功耗、低成本發(fā)展。一般MCU的引腳數(shù)在60以下，MCU以8位機為主、32位機為輔。有趨勢提高MCU的運算功能，將DSP集成到MCU中，比如32位的MC68356集成了Motorola的DSP56002。 　　微控制器MCU一直存在兩種基本結(jié)構(gòu)：哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)和馮諾伊曼(vonMeumann)結(jié)構(gòu)，還可進一步講是對應(yīng)成復(fù)雜指令集計算機CISC和精簡指令計算機RISC。馮諾伊曼結(jié)構(gòu)具有單一總線PRAM或DRAM都映射到同一地址空間，總線寬度與CPU類型匹配。哈佛結(jié)構(gòu)具有獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，CISC的指令一般是微碼miccode，每條指令由CPU解碼為許多基本指令，基于CISC的微控制器一般很復(fù)雜，都采用馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，所需要的程序存儲器比RISC產(chǎn)品少。微碼在CPU產(chǎn)生而限制了CISC器件的帶寬，其指令集也比RISC器件大。 　　68000的MPU是準32位的MPU，內(nèi)部32位，外部總線是16位。蘋果機就是用68000系列，它的運行分成系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)，其設(shè)計是面向分時多任務(wù)或?qū)崟r操作系統(tǒng)的，68000的總線后來變成VME總線標準。到68020就是全32位了。 　　1991年IEEE1149.1即JTAG的公布滿足了IC制造商的措施需求，也給ASIC、MCU、MPU、DSP、PLD、FPGA等的用戶帶來方便。一般十萬門以上的IC都有JTAG接口，1993年IEEE1149.5對JTAG作了修正(5線接口)。IC的測試分成晶片級、IC封裝級、電路板與系統(tǒng)極，JTAG完成了前兩者的測試。適于68000系列的32位機的開發(fā)工具ICD32是一段扁平電纜，一端接IC的JTAG的5線接口，一端通過25芯頭(里面有GAL)接PC機并口。 　　傳統(tǒng)上，微控制器MCU與微處理器MPU是兩大分支，而DSP是MCU的一種特殊變形。但是從實質(zhì)講，MPU多半是CISC，除了DSP之外的MCU也是CISC。而DSP是RISC。所以比較時更適合DSP與MPU相比，MPU適宜于相同管理這樣的應(yīng)用中，以條件判斷為主的應(yīng)用，以軟件管理的操作系統(tǒng)為核心的產(chǎn)品，MPU的設(shè)計側(cè)重于不妨礙程序的流程，以保證操作系統(tǒng)支持功能及轉(zhuǎn)移預(yù)測功能等。而DSP側(cè)重于保證數(shù)據(jù)的順利通行，結(jié)構(gòu)盡量簡單。 2　DSP應(yīng)用的結(jié)構(gòu) 　　DSP應(yīng)用不同于主流的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，在那些應(yīng)用中，你可以依賴一個通用的多優(yōu)先級核心(Kernel)的服務(wù)。而在DSP領(lǐng)域，該核心與DSP模塊可能是兩回事，盡管核心都應(yīng)該提供CPU資源、中斷處理、通信機制等。所以，一個有豐富細節(jié)的核心和操作系統(tǒng)通常是不加以考慮的，因為它加在緊湊的DSP上實在勉強。開發(fā)者常常自已設(shè)計系統(tǒng)軟件框架，作為目標代碼的一部分一起運行。開發(fā)者甚至沒有意識到自已編寫了一個小型操作系統(tǒng)。 　　可見，這樣的核心/操作系統(tǒng)隨著應(yīng)用的不同是多種多樣的。也需要有各種核心，支持從簡單到復(fù)雜的應(yīng)用。至于是自已寫核心或者從別的專業(yè)公司獲得幫助，那是需要在效率、緊湊、靈活、擴展性、安全等因素進行折衷考慮的。 2.1　核心的種類 　　一般來說，框架從簡單到復(fù)雜分成：單任務(wù)和一個中斷服務(wù)程序(ISR)、多個互相通信的任務(wù)、多個分時循環(huán)的線程、多優(yōu)先級的結(jié)構(gòu)。 　　．單任務(wù)和中斷服務(wù)流程ISR(基本核心結(jié)構(gòu)) 　　單任務(wù)處理一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)由一個ISR從特定的硬件取得(如AD器件)。系統(tǒng)首先需要初始化，使能中斷，建立外設(shè)的正確狀態(tài)。ISR的編程則應(yīng)該保護現(xiàn)場，ISR的錯誤是調(diào)試很難檢查的。通常一次ISR控制一個數(shù)據(jù)，而主任務(wù)需要一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。解決辦法是雙緩沖結(jié)構(gòu)。主程序的常見流程是：等待ISR填滿緩沖區(qū)；處理緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，釋放已經(jīng)處理完的緩沖區(qū)。為了保證實時性，系統(tǒng)至少是雙緩沖，因此主程序處理一個緩沖區(qū)時，ISR正在向另一個緩沖區(qū)送數(shù)。這種情況下，不需要特別的同步機制，緩沖區(qū)的滿就是同步機制，整個系統(tǒng)除了主任務(wù)外就無所事事了，主任務(wù)則占用一切DSP資源。故此模式效率非常高。 　　．通用的任務(wù) 　　系統(tǒng)有一個核心，它可以管理多任務(wù)，允許向系統(tǒng)列表加任務(wù)來擴展系統(tǒng)，占用如何擴展則與應(yīng)用有關(guān)。首先以一個自動應(yīng)答機來說明這種擴展，ISR是一個，而多個任務(wù)串行執(zhí)行：音調(diào)檢查、語音識別、話音壓縮等。第一個任務(wù)控制CPU的緩沖區(qū)，執(zhí)行完后主動徹底放棄控制，移交下一個任務(wù)。這種安排使得任務(wù)切換開銷很小，因為你完全知道切換時，哪些狀態(tài)需要保存而哪些不需要。這種方式的毛病就是任何一個任務(wù)失控，整個系統(tǒng)就崩潰了，因為核心沒有辦法取得對CPU的控制。 　　．多個執(zhí)行線程以循環(huán)(round-robin)模式切換 　　對前一種結(jié)構(gòu)的改進是使用一種更安全的任務(wù)安排，使各個任務(wù)的依賴關(guān)系弱化。這需要一個基于時間段的任務(wù)切換器，在當(dāng)前任務(wù)用完了規(guī)定時間片后將控制權(quán)移交下一個任務(wù)。在循環(huán)結(jié)構(gòu)中，各個任務(wù)是平等的機會。這樣CPU不會在為一個壞的任務(wù)而癱瘓，當(dāng)然，安全的代價是你無法準確知道任務(wù)切換在什么時候發(fā)生，于是某個線程進入時的現(xiàn)場保護必須保護該線程要使用的所有寄存器，并且在退出線程時全部恢復(fù)。 　　．循環(huán)(round-robin)線程與協(xié)作序列的組合 　　當(dāng)處理一個較復(fù)雜但每個通路的處理是相同的時候，如語音信箱，無線基站，PXB等。可以將多個通路按照通用的多任務(wù)方式處理，而每個任務(wù)內(nèi)以循環(huán)線程組成，每個任務(wù)是安全的，也就保證了整個系統(tǒng)的安全的。 　　．通用的解決：多優(yōu)先組結(jié)構(gòu) 　　這是靈活性最強的方式，廣泛應(yīng)用于浮點和定點DSP系統(tǒng)。多優(yōu)先級可以認為是循環(huán)方式的一種增強版，在資源可用時，高優(yōu)先級的線程會被執(zhí)行。多優(yōu)先級核心應(yīng)該小心使用，因為很難確定實時執(zhí)行序列，特別是如果還允許動態(tài)改變優(yōu)先級的話，調(diào)試更加困難。而且核心本身占用的CPU資源對定點DSP而言是相當(dāng)大的開銷。 　　除了這些缺點，本結(jié)構(gòu)是某些應(yīng)用的理想選擇。比如，系統(tǒng)中的任務(wù)有的是時間苛刻的(高優(yōu)先級)，有些是可以后臺運行的(低優(yōu)先級)，比如在蜂房電話中，DSP要迅速及時處理帶內(nèi)信號信令，對用戶的按鍵則可以較慢地響應(yīng)。隨著DSP和MCU的功能上進一步集成，這種應(yīng)用會越來越多。 2.2　其他性能綜述 　　．現(xiàn)場保護 　　任務(wù)切換中的現(xiàn)場保護(上下文保護)是影響性能的一個重要因素，它與中斷響應(yīng)時延是矛盾的，在任務(wù)列表被訪問和管理期間，中斷通常需要禁止。所以，任務(wù)機制越復(fù)雜，中斷需要的時延越大。注意，在DSP領(lǐng)域，實時中斷常處理幾十kHz的信號，對中斷響應(yīng)需要的時延是很敏感的。 　　．實時與非實時 　　對于基于核心的系統(tǒng)進行調(diào)試，將系統(tǒng)作為一個整體來調(diào)試需要滿足兩個基本要求：需要系統(tǒng)全速運行時可以觀察和管理系統(tǒng)；需要知道每次觀察時影響的上下文。為達到此要求系統(tǒng)必須增加額外開銷。 　　DSP設(shè)計者并非處處需要實時調(diào)試工具，模塊的很多部分可以單步調(diào)試。但是，大部分問題(bug)都是整個系統(tǒng)全速運行時暴露出來的。Go-DSP的調(diào)試工具Code Composer的優(yōu)越是在系統(tǒng)全速運行時仍然可以觀察和修改狀態(tài)。實時調(diào)試是需要代價的，需要有DebugAgent伴隨應(yīng)用代碼，占用了CPU部分資源，當(dāng)然在最終產(chǎn)品上，DebugAgent是完全去掉的。 3　實時操作系統(tǒng)RTOS與DSP應(yīng)用的結(jié)合 3.1　用于嵌入式微處理器的傳統(tǒng)的實時多任務(wù)操作系統(tǒng) 　　目前的趨勢是一個微處理器MCU從單一任務(wù)結(jié)構(gòu)變成多任務(wù)的結(jié)構(gòu)，初期軟件設(shè)計是在應(yīng)用中增加一個任務(wù)調(diào)用循環(huán)作為主程序，隨著軟件規(guī)模上升和對實時性要求的提高，RTOS作為一種軟件開發(fā)平臺，成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的主流。 　　RTOS是一段MCU啟動后首先執(zhí)行的背景程序，貫穿系統(tǒng)運行的始終。RTOS的引入會增加系統(tǒng)的代碼存儲器占用和運行時間。RTOS主要的性能指標是存儲器占用、最小任務(wù)切換時間、最大中斷延時。這三個指標與RTOS自身的設(shè)計、微處理器的設(shè)計、C語言編譯器的性能有關(guān)。 3.2　實時操作系統(tǒng)RTOS與DSP結(jié)合 　　DSP軟件開發(fā)越來越復(fù)雜，開發(fā)者會發(fā)現(xiàn)自已在兩個矛盾的方向努力，一方面，設(shè)計者必須對底層代碼優(yōu)化以滿足實時應(yīng)用，同時由于系統(tǒng)越來越復(fù)雜，需要高層次的設(shè)計手段，包括使用庫和第三方軟件包。 　　對DSP應(yīng)用提供RTOS支持，是DSP的性能和功能日益增加的必然結(jié)果。DSP正在從高速數(shù)學(xué)引擎轉(zhuǎn)變?yōu)榘�含主流控制器具有的特性的芯片，因此需要DSP設(shè)計人員集中精力解決應(yīng)用問題，而不是重復(fù)實施系統(tǒng)級功能。 　　DSP系統(tǒng)一般是兩個極端，簡單的單片DSP設(shè)計，用于Modem或峰房電話等。另一種是高性能的多處理器DSP系統(tǒng)，用于大批輸入流的實時處理。對于高檔多處理器DSP系統(tǒng)設(shè)計，有四個可能影響性能的主要因素：通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流(流水線或星形)；主系統(tǒng)總線(VME或PCI總線)；RTOS的性能，多DSP系統(tǒng)中，RTOS在每個DSP上運行于嵌入式模式，RTOS提供所需要的數(shù)據(jù)流和處理性能，同時又允許主處理器繼續(xù)在其固有模式(Win95/NT/Solaris)中操縱整個系統(tǒng)；處理來自A/D陣列的輸入流的接口設(shè)計，最好方法是使A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)與系統(tǒng)其余部分有效隔離。 　　選擇RTOS的關(guān)鍵考慮因素： 　　．保證其可靠性足以應(yīng)付DSP負載。 　　．支持與NT或Unix主系統(tǒng)的互操作性。 　　．嵌入式操作核心要足夠小，適應(yīng)于有限的DSP存儲空間。 　　．有面向DSP的高級指令集，便于迅速編程。 　　．必要時可以對低級程序碼手動優(yōu)化。 　　嵌入式RTOS的主要功能是為DSP之間的實時協(xié)調(diào)與通信提供一個標準化的環(huán)境，包括中斷處理和存儲區(qū)分配等，以及和主機OS握手的所有功能。RTOS運行于DSP之上，所以必須很小，還應(yīng)該能進行分布操作和DSP任務(wù)的并行編程。RTOS的結(jié)構(gòu)應(yīng)該使程序員很容易把單DSP任務(wù)變成分裂模式，即能運行于多個DSP。RTOS應(yīng)該能支持順暢地把任務(wù)分攤。面向DSP的嵌入式RTOS的主要功能是：多任務(wù)；動態(tài)進程；同步消息傳遞；信號機；時鐘管理；等等。總之，目標是最小的運行開銷和最大的硬件控制能力。 　　作為Eonic公司的Virtuoso，可以用于浮點和定點DSP。用于TI C4x和ADSP1060的版本的差別是有特殊的通信端口，便于多處理器系統(tǒng)的硬件開發(fā)。通過提供透明的多處理，使軟件開發(fā)也容易。Virtuoso對于單DSP的應(yīng)用也提供了很多優(yōu)越性，從一開始開發(fā)，你就有一個完全的多任務(wù)環(huán)境，這就意味著你可以將應(yīng)用分成幾個小的任務(wù)，更便于編程。有一套完整的工具用于任務(wù)間通信，任務(wù)同步，管理存儲區(qū)和定時器，中斷管理。提供了一個ISR1層支持嵌套中斷。而TI缺省的ISR0層的中斷服務(wù)中是不允許被中斷的。如果系統(tǒng)中有突發(fā)性的中斷發(fā)生，就有可能丟中斷。Virtuoso的ISR1層提供了可嵌套的中斷機制，且響應(yīng)速度與ISR0相當(dāng)。多任務(wù)機制使設(shè)計人員能夠充分發(fā)揮DSP的能力，因為可以使DSP是100%的忙碌，否則DSP可能為了等待某個事件發(fā)生而處于空閑。特別是采用TMS320C6201，不使用RTOS是無法充分發(fā)揮其性能的。Virtuoso的另一個優(yōu)點是可移植性，編寫的C代碼可以使用到Virtuoso支持的任何DSP。 　　用于DSP的RTOS對加快開發(fā)進度、提供高級功能調(diào)用和標準的I/O庫是非常有用的。許多RTOS支持多任務(wù)并包含DSP庫，使用它有助于可移植性和可維護性。另一方面，RTOS要占用處理器的開銷，耗費本來可用于信號處理的DSP周期。如果是對于單處理器，支持多任務(wù)的開銷可能會很可觀。另外，成本也是要考慮的因素。