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分層結(jié)構(gòu)高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
摘要：介紹了一種具有分層結(jié)構(gòu)的高速數(shù)字信號(hào)處理嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的不同層次完成了具有不同實(shí)時(shí)性要求與復(fù)雜程度的任務(wù)。詳術(shù)了基于TMS320VC33的嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及關(guān)鍵技術(shù)，最后給出了幾個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。目前，DSP應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)一般都需要昂貴的專(zhuān)扇開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，而且大多是功能與用途特殊的產(chǎn)品且批量小，其成本主要花在長(zhǎng)時(shí)間研發(fā)上。對(duì)于民品，時(shí)間就是市場(chǎng)占有率和金錢(qián)；對(duì)于軍品，時(shí)間就是戰(zhàn)斗力和生命。分層結(jié)構(gòu)高速數(shù)字信號(hào)處理嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都在很大程度上具有通用性，極大地降低了這一類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)難度與研發(fā)周期。
1 系統(tǒng)組成
1．1 設(shè)計(jì)思路
一個(gè)工業(yè)測(cè)控儀表產(chǎn)品首先需要友好的人機(jī)界面、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與控制及準(zhǔn)實(shí)時(shí)的高速數(shù)字信號(hào)處理。DSP專(zhuān)用芯片雖然具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，但若用于人機(jī)界面設(shè)計(jì)將事倍功半，若用于強(qiáng)實(shí)時(shí)控制則極易被一個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)耗盡資源。因此，系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)方案是：采用體積小、結(jié)構(gòu)緊湊可靠的PCI04工控機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，以高速DSP芯片進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，而強(qiáng)實(shí)時(shí)信號(hào)處理任務(wù)由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和專(zhuān)用芯片(ASIC)完成。
1．2 分層式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)以上思路，系統(tǒng)宜采用分層式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，自定義系統(tǒng)總線(類(lèi)似于GPIB總線)及接口模塊實(shí)現(xiàn)主機(jī)(層次一)對(duì)多個(gè)信號(hào)處理模塊(層次二、三)的監(jiān)控，基于16位ISA并行接口的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。對(duì)于監(jiān)控主機(jī)，在通過(guò)了調(diào)試階段后，可以用單片機(jī)替代之以進(jìn)一步減小體積重量，降低成本。在信號(hào)處理器模塊中，DSP芯片及其RAM與EPROM組成的最小系統(tǒng)構(gòu)成第二層次，其硬件／軟件都具有通用性。真正與具體產(chǎn)品特定功能有關(guān)的是第三層次，它是由CPLD、ASIC芯片或級(jí)聯(lián)工作的從處理器構(gòu)成的應(yīng)用硬件模塊。隨著軟件無(wú)線電技術(shù)與器件的發(fā)展，非通用性功能越來(lái)越趨向．于用軟件實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)用硬件模塊則主要是高速CPLD、偏速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器及數(shù)／模轉(zhuǎn)換器。因此第三層次也具有一定的通用性。
1．3 系統(tǒng)的特點(diǎn)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層次后變得比較靈活，便于擴(kuò)展。對(duì)于多通道并行數(shù)據(jù)處理，如材料分選，可采用多個(gè)信號(hào)處理器并聯(lián)結(jié)構(gòu)；對(duì)于單通道高速數(shù)據(jù)處理，
如雷達(dá)脈沖信號(hào)分選，可采用多個(gè)處理器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。 分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能強(qiáng)大。第三層次可以處理納秒級(jí)事件，如高速脈沖信號(hào)的瞬態(tài)參數(shù)測(cè)量；第二層次可以處理微秒、毫秒級(jí)事件，如數(shù)字濾波及高精度參數(shù)估計(jì)算法的實(shí)現(xiàn)；第一層次可以處理非實(shí)時(shí)但較復(fù)雜，的事件，如實(shí)現(xiàn)圖形用戶(hù)界面、存盤(pán)打印、數(shù)據(jù)庫(kù)管理以及網(wǎng)絡(luò)功能等。
第一、二層次在硬件上有完全的通用性，數(shù)字信號(hào)處理器的基本輸入輸出軟件(DSP-BIOS)及其對(duì)應(yīng)的主機(jī)接口軟件也基本上具有完全的通用性，可編程器件的充分利用還可使第三層次在硬件上具有一定的通用性。因此，采用這種結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)后續(xù)產(chǎn)品時(shí)，研發(fā)工作將越來(lái)越容易而且迅捷。
2 硬件／軟件協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程
將上述具有通用性與分層結(jié)構(gòu)的高速數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)應(yīng)用于具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)硬件／軟件功能進(jìn)行合理的劃分，這實(shí)際上是一個(gè)硬件／軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程，如圖2所示。
第一步，確定應(yīng)用系統(tǒng)具體功能及性能指標(biāo)要求。
第二步，應(yīng)用獨(dú)立于任何硬件／軟件的功能性規(guī)格方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，如有限態(tài)自動(dòng)機(jī)(FSM)、統(tǒng)一化的規(guī)格語(yǔ)言(CSP、HDLs、C、…)或其它基于圖形的表示工具。其作用是對(duì)硬件／軟件統(tǒng)一表示，便于進(jìn)行功能的劃分和綜合。
第三步，從系統(tǒng)功能要求和限制條件出發(fā)，依據(jù)一定的算法，進(jìn)行硬件／軟件的功能劃分。
第四步，對(duì)劃分結(jié)果作出評(píng)估。一種是性能評(píng)估(A)，另一種是對(duì)硬件／軟件綜合后的系統(tǒng)依據(jù)指令級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)作出評(píng)估(B)。如果評(píng)估結(jié)果不滿足要求，需重復(fù)第三步，重新劃分硬件／軟件的功能，直至獲得一個(gè)最佳的硬件／軟件實(shí)現(xiàn)為止。
一個(gè)大的科研項(xiàng)目都需要多所做人分工協(xié)作，以上所述實(shí)際上也是總體上為硬件組與軟件組所做的任務(wù)分配。在進(jìn)行硬件系統(tǒng)基本功能調(diào)試的同時(shí)，軟件組可以編寫(xiě)人機(jī)界面程序、數(shù)據(jù)庫(kù)操作程序、模擬數(shù)據(jù)與處理的脫機(jī)版程序。由于用規(guī)格語(yǔ)言對(duì)實(shí)際硬件／軟件功能描述存在失真情況，設(shè)計(jì)階段的硬件／軟件功能劃分也難免有不合理之處，但這可在聯(lián)機(jī)調(diào)試中得以修正。
3 關(guān)鍵技術(shù)
本文用TI公司的高速處理器芯片TMS320VC33實(shí)現(xiàn)通用數(shù)字信號(hào)處理嵌入式系統(tǒng)。
3．1 DSP-BIOS設(shè)計(jì)
DSP-BIOS軟件是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理嵌入式系統(tǒng)通用性的關(guān)鍵所在。TMS320VC33在微處理器(μP)模式下，復(fù)位后即運(yùn)行DSP-BIOS軟件；如在微計(jì)算機(jī)(MP)模式下，復(fù)位后運(yùn)行其內(nèi)部固化的Boot-Loader程序，然后從外部低速RAM或串口讀取DSP-BIOS軟件并調(diào)入片內(nèi)高速CACHE進(jìn)行全速運(yùn)行。
一個(gè)通用DSP-BIOS軟件應(yīng)具有以下功能：
· DSP的初始化；
· 最小系統(tǒng)硬件的自檢；
· 與上位機(jī)的通信；
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