dsp系统程序设计论文

DSP 系统程序设计论文近年来，计算机产品的应用领域越来越广，数字信号处理器的发展表现得尤为明显。DSP 芯片制造商和 DSP 板开发商利用自身的优势不断开发出多 DSP 结构的产品来满足这种需求。通常的 DSP 设备是与嵌入式系统相结合，来实时地完成某一特定任务。随着信号采集速度和处理速度的要求越来越高，许多领域都需要进行多处理器运算，其中包括医学、图像处理、军事、工业控制、电信等许多领域。多处理器系统可以根据所需实现的功能和处理器的性能来调节处理结点的数目，使系统达到最佳的性能价格比。实际上，只有从芯片开始仔细设计，才能方便地实现多处理器系统的调节功能。这里选用的是 AD 公司新出品的SHAR 级处理器 ADSP21160。ADSP21160 具有很大的片内存储区、多重内部总线结构、独立的 I/子系统；具有构造多处理器系统的所有特点，能够真正支持处理器数目的可调节功能，十分适合组成高性能浮点的多 DSP 系统。Vxrs 是目前世界上用户数量最大的实时操作系统。这使它除了具有优越的技术性能之外，还具有丰富的应用软支持、良好的技术服务和可靠的系统稳定性。由于它具有以上优点，本系统中选用了 Vxrs 作为 VE167 的操作系统。一、ADSP21160 的特点ADSP21160 是 AD 公司采用超级哈佛结构的一种新产品。21160 的汇编代码与 2106x 兼容，处理器具有 SID（单指令流多数据流）功能；而 2106x 只具有 SISD（单指令流单数据流）功能。为了充分利用这种新的功能，一些指令做了一些改变。ADSP21160 包括 1 个 100/10Hz 的运算核、双端片内 SRA、1 个支持多处理器的集成在片内的 I/处理器和多重内部总线以消除 I/瓶颈。ADSP21160 的汇编源代码与 2106x 兼容。SID 计算结构：2 个 32bit 的计算单元，其中每一个单元包括乘法器、ALU、移位寄存器及寄存器文。具有完备的与外围设备接口功能。包括独立的 I/处理器、4bit 的片内双端 SRA、可直接连接的多处理器特性及端口（串口、连接口、外总线及TAG） 。ADSP21160 包括 2 个运算处理单元，具有 SID 功能。处理单元指的是 PEX 和 PE。PEX 始终是有效的，而 PE 的有效是通过设置 DE1 寄存器中的 PEEN 位来实现的。当 PE 模式有效时，同一条指令在 2 个处理器单元中都得到执行，但每一个处理器单元中的操作数不同。SID 模式在存储区和处理器单元之间的数据传输也是很有作用的。当使用 SID 模式，通过加倍数据带宽来保证处理器单元的操作。在 SID 模式，当使用 DAGs 来传输数据时，存储区每次访问所传输的是两个数据值。ADSP21160 包括 4bit 的片内 SRA，分为两块，每一块2bit。可以定义为不同字长的指令和数据存储。每一个存储块的双端口结构可以使存储块独立地被运算核处理和 I/处理器访问。21160 的存储区最大可以容纳 128 的 32bit 数据，或 26 的 16bit 数据，或 8 的 48bit 指令，或其他混合字长的数据，但总和最大为 4bit。所有存储区可以16、32、48、64bit 字长的字访问。外端口支持处理器与片外存储器及外设的接口，片外的 4G 地址空间属于 21160 的统一地址空间。外端口支持同步、异步及同步 BURST 访问。DA 控制器的操作相对处理器运算核是独立和不可见的，即 DA 操作可与执行指令同时进行。DA 传输可以在内部存储区与外部存储区、外围设备或主机之间进行。21160 共有 14 个 DA 通道，其中：连接口占 6 个；串口占 4 个；外端口占 4 个。21160可以通过 DA 传输来下载程序，外围异步设备也可以通过 DA请求/应答线来控制 2 个 DA 通道。21160 具有许多特点支持多 DSP 系统。外端口与连接口支持多处理器系统的直接连接，外端口支持统一的地址空间，允许 DSP 之间互相访问。片内具有分布式总线仲裁逻辑，最多支持 6 片 21160 和主机连接。外端口的最大数据传输率为 400B/s，广播写信号可以同时发送到各片 21160。6 个连接口提供了另一种方法实现多处理器之间的通信。连接口的最高传输速率为 600B/s。整个系统基于 VE 总线。VE 总线系统作为最早的国际通用开放式总线，自 1981 年起，经历了近 20 年的发展。其影响不断扩大，功能不断完善，现已成为性能最好、应用最广的国际总线标准之一。根据设计要求，采用了 4 片 ADSP21160。片外共享内存SRA 可以被主机和各片 DSP 直接访问；EPR 用来存放初始化程序和各片 DSP 要运行的程序，在系统上电后这些程序被下载到各片 DSP 中；LEDs 用来显示插的状态，如reset、nral 等。每一片都有 1 个连接口连到插的前面板，这样前端采集来的数据就可以很方便地传输到多 DSP 上，而且也使数据的传输模式更加灵活。连接口是 SHAR 系列 DSP 芯片的一个特点。ADSP21160共有 6 个 8bit 连接口提供额外的 I/服务。在 100Hz 时钟下运行时，每个连接口可达 100B/s。连接口尤其适合多处理器间点到点的连接。连接口可以独立地同时操作，通过连接口的数据封装成 48/32bit 字长后，可以从片内存储区直接被运算核读取或 DA 传输。每一个连接口有它自己的双缓冲 I/寄存器，数据传输可编程，硬由时钟/应答握手线控制。4 片 DSP 使用连接口实现 DSP 间两两互连。21160 的主机接口可以很方便地与标准微处理器总线（16/32bit）相连，几乎不需要额外硬。主机通过 21160的外端口对其进行访问，存储区地址映射为统一的地址空间。4 个 DA 通道可以用于主机接口，代码和数据传输的软开销很小，主处理器通过 HBR、HBG 和 RED 信号线与 21160进行通信，主机可以对片内存储区进行直接读写。二、开发环境 TrnadVxrs 的开发环境是 indRiver 公司提供的Trnad。Trnad 采用主机-目标机开发方式，主机系统可采用运行 SunSlaris、HP-UX 以及 in9/NT 的工作站或个人计算机，Vxrs 则运行在 Intelx86、68、PerP 或 SPAR 等处理器上。Trnad 支持各种主机-目标机连接方式，如以太网、串行线、在线仿真器和 R 仿真器。Trnad 的体系结构使得许多强有力的开发工具可以用于各种目标机系统和各种主机-目标机连接方式下，而不受制于目标机的资源和通信机制。同时 Vxrs 具有良好的可剪裁性。因此它适用于各种嵌入式环境的开发，小到资源极其有限的个人手持式设备如 PDA（PersnalDigitalAssistant） ；大到多处理机系统，如 VE 系统。Trnad 可提供一个直观的、可视化的、用户可扩充的开发环境，极大缩短了开发周期。同时，由于 Trnad 是一个完全的开放系统，使得集成第三方开发工具变得十分容易。主机与目标机之间的通信是通过运行各自处理器上的代理进程来完成的，使主机上的开发工具和目标机的操作系统可以完全脱离相互连接的方式。为了摆脱主机-目标机通信带宽和目标机资源的限制，Trnad 将传统的目标机方的工具迁移到主机上，如shell、lader 和符号表等。这样，系统不再需要额外的时间和带宽在主机和目标机之间交换信息，降低了对连接带宽的需求，也避免了目标机的资源（如内存）被工具或符号表大量占用，使得应用程序拥有更多的系统资源。同时这种迁移也使得各种主机开发工具独立于目标机存在，从而使同一主机平台上的工具可以用于所有的目标机系统。作为一个应用软开发环境，Trnad 提供了友好的可视化开发界面、交叉编译环境、源码级调试工具、目标机命令解释器和目标机状态监视器等多种应用工具，为应用软开发提供了一个高效而可靠的平台。三、程序设计我们选用的 DSP 开发工具是 AD 公司提供的VisualDSP。这是一个集成开发环境，支持对 SHAR 系列 DSP芯片的开发。实时操作系统 Vxrs 的开发工具是 indRiver公司的 Trnad 集成开发工具。VisualDSP 可以语言或汇编语言编写的 DSP 代码，最新版本的 VisualDSP 还支持+。它还有 1 个优点，就是可以编译多片 DSP 的源代码，并产生下载文，这就可以很方便地进行多 DSP 系统的软模拟。ADSP21160 阵列的设计结构使它既可以构成单指令流多数据流（SID）的并行处理机，也可以构成多指令流单数据流（ISD）或多指令流多数据流（ID）的流水线处理机，视用户的要求而定。这两种并行方案的选择，简单来说就是选择分割数据流还是分割处理工序。SID 方案的原理如图 1所示。以下介绍我们实验室承担的水声信号处理系统。本系统以 VE 总线为系统开发平台，前端调理模、模数转换模和前端控制模等为 VE 插，采用 SHAR 级 DSP 芯片阵列完成声纳信号实时处理，基于嵌入式实时操作系统 Vxrs 及 X 窗口系统的中央控制和显示。图 2 是 4 片 DSP 的任务分配图。从前端采集来的信号，经波束形成和复解调，再经过窄带滤波后的信号分为两路，一路送去进行幅度检波，一路做频域处理。幅度检波就是对复信号求模，根据信号幅度判决有无目标存在。频域处理分两种情况：当发射信号为单频脉冲时，进行功率谱估计，然后根据多普勒频移估计目标速度；当发射信号为双曲调频信号时，进行相关处理。声纳综合数据处理主要包括主动声纳信号处理和被动声纳信号处理。其中，主动声纳信号处理又根据发射信号的不同，分为非相干处理、相干处理、功率谱处理。声纳综合数据处理主要完成：目标自动检测、目标参数测定和动目标跟踪。四、操作流水线操作流水线是模块内数据计算与 I/的流水线，物理上表现为 PU 与 I/端口的 DA 之间的并行。在前端处理中由于数据率高，通信开销很大。以通信任务最为繁重的复解调和多普勒补偿模块为例，输入数据率为 2/s，输出数据率为4/s，高速连接口 LinPrt 最高速率为 100/s，如果采用串行传输的话，通信时间就将占用 60%以上的处理时间，计算时间显然严重不足。所以必须采用并行执行，流程图如图 3所示。这也是一种异步流水线方式，每次传送和计算完成都须要设置标志以通知下一操作。结束语在 Vxrs 实时操作系统下，4 片 ADSP21160 上的程序已经通过模拟输入和系统测试。采用 SHARDSP 阵列能够很好地完成声纳信号实时处理,每一片 DSP 至少有 10%的计算裕量，基本达到设计要求。送到各片 21160。6 个连接口提供了另一种方法实现多处理器之间的通信。连接口的最高传输速率为 600B/s。整个系统基于 VE 总线。VE 总线系统作为最早的国际通用开放式总线，自 1981 年起，经历了近 20 年的发展。其影响不断扩大，功能不断完善，现已成为性能最好、应用最广的国际总线标准之一。根据设计要求，采用了 4 片 ADSP21160。片外共享内存SRA 可以被主机和各片 DSP 直接访问；EPR 用来存放初始化程序和各片 DSP 要运行的程序，在系统上电后这些程序被下载到各片 DSP 中；LEDs 用来显示插的状态，如reset、nral 等。每一片都有 1 个连接口连到插的前面板，这样前端采集来的数据就可以很方便地传输到多 DSP 上，而且也使数据的传输模式更加灵活。连接口是 SHAR 系列 DSP 芯片的一个特点。ADSP21160共有 6 个 8bit 连接口提供额外的 I/服务。在 100Hz 时钟下运行时，每个连接口可达 100B/s。连接口尤其适合多处理器间点到点的连接。连接口可以独立地同时操作，通过连接口的数据封装成 48/32bit 字长后，可以从片内存储区直接被运算核读取或 DA 传输。每一个连接口有它自己的双缓冲 I/寄存器，数据传输可编程，硬由时钟/应答握手线控制。4 片 DSP 使用连接口实现 DSP 间两两互连。21160 的主机接口可以很方便地与标准微处理器总线（16/32bit）相连，几乎不需要额外硬。主机通过 21160的外端口对其进行访问，存储区地址映射为统一的地址空间。4 个 DA 通道可以用于主机接口，代码和数据传输的软开销很小，主处理器通过 HBR、HBG 和 RED 信号线与 21160进行通信，主机可以对片内存储区进行直接读写。二、开发环境 TrnadVxrs 的开发环境是 indRiver 公司提供的Trnad。Trnad 采用主机-目标机开发方式，主机系统可采用运行 SunSlaris、HP-UX 以及 in9/NT 的工作站或个人计算机，Vxrs 则运行在 Intelx86、68、PerP 或 SPAR 等处理器上。Trnad 支持各种主机-目标机连接方式，如以太网、串行线、在线仿真器和 R 仿真器。Trnad 的体系结构使得许多强有力的开发工具可以用于各种目标机系统和各种主机-目标机连接方式下，而不受制于目标机的资源和通信机制。同时 Vxrs 具有良好的可剪裁性。因此它适用于各种嵌入式环境的开发，小到资源极其有限的个人手持式设备如 PDA（PersnalDigitalAssistant） ；大到多处理机系统，如 VE 系统。Trnad 可提供一个直观的、可视化的、用户可扩充的开发环境，极大缩短了开发周期。同时，由于 Trnad 是一个完全的开放系统，使得集成第三方开发工具变得十分容易。主机与目标机之间的通信是通过运行各自处理器上的代理进程来完成的，使主机上的开发工具和目标机的操作系统可以完全脱离相互连接的方式。为了摆脱主机-目标机通信带宽和目标机资源的限制，Trnad 将传统的目标机方的工具迁移到主机上，如shell、lader 和符号表等。这样，系统不再需要额外的时间和带宽在主机和目标机之间交换信息，降低了对连接带宽的需求，也避免了目标机的资源（如内存）被工具或符号表大量占用，使得应用程序拥有更多的系统资源。同时这种迁移也使得各种主机开发工具独立于目标机存在，从而使同一主机平台上的工具可以用于所有的目标机系统。作为一个应用软开发环境，Trnad 提供了友好的可视化开发界面、交叉编译环境、源码级调试工具、目标机命令解释器和目标机状态监视器等多种应用工具，为应用软开发提供了一个高效而可靠的平台。三、程序设计我们选用的 DSP 开发工具是 AD 公司提供的VisualDSP。这是一个集成开发环境，支持对 SHAR 系列 DSP芯片的开发。实时操作系统 Vxrs 的开发工具是 indRiver公司的 Trnad 集成开发工具。VisualDSP 可以语言或汇编语言编写的 DSP 代码，最新版本的 VisualDSP 还支持+。它还有 1 个优点，就是可以编译多片 DSP 的源代码，并产生下载文，这就可以很方便地进行多 DSP 系统的软模拟。ADSP21160 阵列的设计结构使它既可以构成单指令流多数据流（SID）的并行处理机，也可以构成多指令流单数据流（ISD）或多指令流多数据流（ID）的流水线处理机，视用户的要求而定。这两种并行方案的选择，简单来说就是选择分割数据流还是分割处理工序。SID 方案的原理如图 1所示。以下介绍我们实验室承担的水声信号处理系统。本系统以 VE 总线为系统开发平台，前端调理模、模