（检测技术与自动化装置专业论文）dsp嵌入式应用系统软件设计的研究与实践.pdf

摘要 摘要 随着数字信号处理技术的发展，数字信号处理芯片在通讯、多媒体、信息家电等各 个领域得到了极为广泛的应用，能够完成的任务越来越多。d s p 嵌入式系统的广泛应用 和发展潜力使其成为2 1 世纪的应用热点之一，但是由于系统复杂性不断提高、作为d s p 应用系统关键部分的d s p 系统软件开发专业性强以及系统设计的规范性因人而异，使 得产品开发难度不断加大，开发周期也被大大拉长，市场需求和开发难度之间产生了明 显的瓶颈效应。利用t ie x p r e s s d s p 开发d s p 系统，可以降低开发难度，缩短软件开发 周期。 本文在对t id s p 应用系统软件设计技术、频谱分析技术和嵌入式软件开发理论研 究的基础上，重点研究了利用t ie x p r e s s d s p 算法标准软件中的操作系统内核d s p b i o s 以及参考框架r f 进行d s p 软件设计的方法，并应用于h f c 网络反向噪声监测系统中。 首先对t id s p 算法标准软件的参考框架及d s p b i o s 进行了深入研究，并结合嵌 入式软件设计流程，完成了频谱分析仪设计的需求分析、主要器件选型、系统体系结构 设计以及频谱分析系统软件流程的设计和d s p 软件的框架设计。 对d s p 应用系统软件进行功能模块的划分，并对各模块分别进行了详细设计，重 点研究了频谱分析功能的核心算法快速傅立叶变换、如何利用c 6 7 1 3 的e d m a 控 制器高速读取并传输实时数据以及d s p b l o s 线程划分与调度。 本文初步研究了d s p 实时监测、c a c h e 优化以及d s p b i o s 软件优化技术，这些技 术在应用系统软件开发过程中提升系统性能方面起到了非常重要的作用，为系统软件功 能的实现提供保证。 最后在以上几点研究工作的基础上，对t id s p 应用系统引导技术以及程序代码固 化技术进行研究，设计了系统初始化程序、系统二次引导程序，最终实现系统上电自启 动功能。 通过将d s p 软件设计方法在h f c 网络反向噪声监测系统的设计过程中进行实践， 成功实现了基于d s p s 的实时频谱分析。同时实践表明，t ie x p r e s s d s p 标准有助于简 化d s p 应用系统的开发。 关键词：d s p 嵌入式系统；应用软件；d s p b i o s ；参考框架 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n , m u l t i - m e d i a , i n f o r m a t i o na p p l i a n c e , a l o n gw i md e v e l o p m e n to f t h ed i g i t a ls i g n a lt e c h n o l o g y , a n di tc a na c h i e v em o r ea n dm o r et a s k s i tm a k e sd s pe m b e d d e ds y s t e mt h ek e yi n21 c e n t u r yt h a tt h ew i d e l yu s i n ga n dp o t e n t i a lo fi t b u td e s i g n i n gd s pp r o d u c t i o nb e c o m e s m o r ea n dm o r ed i f f i c u l t y , p e r i o d sa r el o n g e r , b e c a u s eo fs y s t e m sc o m p l i c a c y , d s ps o f t w a r e s p e c i a l i z a t i o n , a n ds t a n d a r d i z a t i o no fd i f f e r e n te n g i n e e r s t h e r ei so b v i o u sb o t t l e n e c ke f f e c t b e t w e e nd e m a n do fm a r k e ta n dd i f f i c u l to fd e s i g n i n g i tc a l lr e c e d et h a td i f f i c u l ta n ds h o r t e n t h et i m eo fd e s i g n i n gu s i n gt i se x p r e s s d s p i nt h i sp a p e r , t h ed s ps o f t w a r ed e s i g nm e t h o du s i n gt i so p e r a t i n gs y s t e md s p b i o s a n dr e f e r e n c ef r a m e w o r kr fi ss t u d i e dd e e p l yb a s e do nt h ea p p l i c a t i o ns y s t e ms o f t w a r eo ft l s p e c t r u ma n a l y s i s ，a n dt h et h e o r yo fe m b e d d e ds o f t w a r e a l s o ，i t su s e di nt h ei n s p e c t i n g s y s t e mo fh f c n e t w o r kb yw h i c ht h eg o a li st oi n s p e c tn o i s ei nt h eh f cc h a n n e la n dg i v e r e f e r e n c ed a t a f i r s t l y , t id s pe x p r e s s d s pa l g o r i t h ms t a n d a r ds o f t w a r e sr e f e r e n c ef r a m e w o r ka n d d s p b i o sa r ed e e p l ys t u d i e di nt h ep a p e r a l s o ，t h ef l o wo ft h es p e c t r u ma n a l y z e rs o f t w a r e a n df r a m e w o r ko fi ta r ed e s i g n e db a s e do nf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ta n dm a i nd e v i c e sc h o s e n o f t h es y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ef l o wo f c o m m o ne m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e ms o f t w a r ei sd i v i d e di n t os o m es e c t i o n s ，a n de a c hs e c t i o ni sd e s i g n e d p a r t i c u l a r l y t h ee m p h a s e sa r et h a ts t u d y i n go nt h ec o r ea l g o r i t h mo f f a s tf o u r i e r 胁f o 眦 h o wt or e a da n dt r a n s f e rr e a l - t i m ed a t ab yc 6 713e d m a ，a n dd i v i d i n ga n ds c h e d u l i n gr u l e s o fd s p b i o st h r e a d s t h et e c h n o l o g y so fd s pr e a l t i m ei n s p e c t i o n , c a c h eo p t i m i z i n ga n dd s p b i o s o p t i m i z i n ga r ed i s c u s s e di nt h ep a p e ra l s o i nt h ep r o c e s so fs o f t w a r ed e s i g n i n g , t h e s e t e c h n o l o g y sa r ev e r yk e y , w h i c he n s u r et h es o f t w a r ef u n c t i o n f i n a l l y , b a s e do nt h ea b o v e ，t e c h n o l o g yo fa u t ol o a d e ra n dh o w t of i r mp r o g r a mi n e x t e r n a lf l a s ha r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r - t h ep r o g r a m e si n c l u d i n gs y s t e mi n i t i a l i z a t i o n a n ds e c o n db o o t l o a d e ra r ed e s i g n e d f u n c t i o no fa u t ob o o tw h i l es y s t e mo np o w e ri sr e a l i z e d a s p e c t r u ma n a l y z e ri sc o m p l e t e db yt h ep r a c t i c eo fh f c n e t w o r ki n s p e c t i o ns y s t e m a p p l y i n gt h e m e t h o do fd s ps o f t w a r e a tt h es a m et i m e , t h ep r a t i c ep r o v et h a tt i s e x p r e s s d s p i sh e l p f u lt os i m p l i f yd e s i g n i n go fd s p a p p l i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：d s pe m b e d d e ds y s t e m ；a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ；d s p b i o s ；r e f e r e n c ef r a m e w o r k i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：互i 兰 日 期： 坌! ! 墨：圣：窒 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 孕：乞 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 嵌入式系统是嵌入式计算机系统的简称，是以应用为中心，以计算机技术为基础， 并且软硬件可裁剪，使用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的 专用计算机系统【l 】。随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统 用嵌入式处理器而非通用处理器建造，常用的嵌入式微处理器有p o w e r p c 处理器、 a r m 系列处理器以及数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，d s p s ) 等。 d s p s 是针对实时数字信号处理而设计的嵌入式微处理器，在系统结构和指令算法 方面经过特殊设计，因而具有很高的编译效率和指令执行速度，芯片内部采用程序和数 据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法，具有计算速度快、体积小、功耗低 的突出优点，非常适合应用于嵌入式实时系统。自世界上第一片通用d s p s 一一 t m s 3 2 0 c 1 0 于1 9 8 2 年在美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ，t i ) 公司产生以来，d s p 处 理器便显示出强盛的生命力。短短二十多年，世界上许多公司便开发出各种规格的d s p 处理器，并使它们在通信、自动控制、雷达、气象、导航、机器人等许多嵌入式实时领 域得到了广泛应用【2 j 。 嵌入式系统是信息产业在二十一世纪知识经济时代最重要的经济增长点之一，而软 件设计是实现整个系统功能的关键。与传统桌面或网络软件开发相比，d s p 嵌入式软件 开发有其自身的特点：依赖于专门的硬件平台；遵循传统的软件开发模式，但需要专门 的开发工具；受成本、体积和功耗等资源的严格制约等。另外，随着应用领域复杂性的 提高，d s p 软件的种类和数量也不断增加；随着d s p s 计算能力的提高、成本与体积的 减小，许多电子设备完成的功能改由d s p 软件实现，这增加了软件设计的难度；市场 竞争对开发时间提出了更高的要求，导致传统的基于过程、以编程为中心的开发方法难 以适应新的环境对开发效率和质量的要求。研究d s p 软件设计技术具有广阔的应用价 值和市场空间。本课题对t id s p s 嵌入式应用系统软件设计技术进行研究，并将其运用 到实时频谱仪的d s p 软件设计过程中，完成基于d s p s 的频谱分析仪，通过实时分析信 号频谱监测有线电视网络反向通道噪声。 1 2 国内外研究现状 自1 9 7 9 年i n t e l 公司开发的2 9 2 0 诞生以来，d s p s 的发展历程概括的划分为四代【3 】： 第一代d s p s 包括：1 9 7 9 年i n t e l 开发的2 9 2 0 和a m i 公司的$ 2 8 1 1 、1 9 8 0 年n e c 公司开发的p d 7 7 2 0 和b e l l 研究所开发的d s p 2 0 、1 9 8 2 年日立公司开发的6 1 8 1 0 、 t i 公司开发的t m s 3 2 0 1 0 等。这一代产品的特点是采用了哈佛结构，设置了硬件乘法 器。 第二代d s p s 有1 9 8 5 年t i 公司开发的t m s 3 2 0 c 2 0 、1 9 8 6 年n e c 公司开发的“ p d 7 7 2 3 0 、a d 公司开发的a d s p 2 1 0 0 、m o t o r o l a 公司开发的d s p 5 6 0 0 等。与第一 江南大学硕士学位论文 代相比，第二代d s p s 在功能、速度及内存容量方面都有了很大的突破，并且还增强和 完善了指令功能及寻址方式。 第三代d s p s 是t i 公司1 9 8 7 年开发的t m s 3 2 0 c 3 0 和1 9 9 1 年开发的t m s 3 2 0 c 4 0 、 m o t o r o l a 公司开发的d s p 9 6 0 0 2 ，以及a d 公司开发的a d s p 2 1 0 0 0 系列等，这些芯 片都是在第一、二代的基础上，为满足高速实时信号处理技术的需求而开发的3 2 位浮 点数信号处理器，特点是高速、多功能、大内存，能进行3 2 位浮点运算及使用高级语 言编程。前三代d s p s 的应用范围有限，主要集中在控制领域，对于是否有操作系统的 支持要求不是很强烈。软件设计主要以应用为中心，应用软件直接建立在硬件上，系统 实现方式主要有循环轮转和前后台两种，软件规模小，设计简单。 第四代则为近几年开发的d s p s ，主要是t i 公司开发的t m s 3 2 0 c 2 ) 酣c 5 ) 【c 5 4 x 、 t m s 3 2 0 c 6 2 x x c 6 7 x x c 6 4 x x 等，a d 公司开发的a d s p 2 1 0 x x 等。第四代d s p s 在前三 代的基础上增加了多处理器并行工作能力，指令系统中设置了“循环寻址”和“位倒序 指令，并设置了单独的d m a 总线及其控制器以提高数据传输能力。从运算速度来看， 执行一次乘加运算所需要的时间从8 0 年代初的4 0 0 n s 减少到1 0 n s 以下，处理能力提高 了上百倍；从制造工艺来看，8 0 年代采用4 u m 的n 沟道m o s 工艺【4 1 ，现在则普遍采 用亚微米c m o s 工艺，t i 公司5 0 的芯片使用9 0 n m 工艺，c 6 4 5 5 芯片使用6 5 n m 技术 生产，并开始使用4 5 n m 技术。 在d s p s 诞生初期，每个d s p 系统的所有代码都要由用户自己开发。随着d s p s 处 理速度和运算能力的不断提高，嵌入式实时系统承担更多的工作成为可能，系统日趋复 杂，特别是从第四代d s p s 开始，d s p 实时应用系统的复杂度大大增加，在软件实时性、 可靠性、可扩展性设计以及混合编程模式与代码优化等方面都对d s p 软件设计提出了 越来越高的要求。d s p 软件开发的时间通常占总开发时间的8 0 ，开发周期大大拉长， 市场的需求和开发的难度成为制约d s p 应用发展的瓶颈。为此，t i 公司给d s p s 引入 了许多通用计算机微处理器的特点，并为其产品开发了汇编语言和c 语言代码产生工 具以及各种软硬件调试工具，特别是其推出了e x p r e s s d s p 算法标准软件以及d s p b i o s 实时操作系统内核。 d s p b i o s 是t i 公司特别为t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 t m 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 t m 和t m s 3 2 0 c 2 8 x t m 系列d s p 平台所设计开发的一个尺寸可剪裁的实时多任务操作系统内核，并且也能在 o m a p t m 器件的d s p 核上运行。d s p b i o s 主要用于实时调度和同步以及主目标机系 统通信和实时监测，其基本功能是面向对象的任务管理、定时器管理、存储管理、资源 管理、事件管理等等，并具有较好的移植性。以往d s p 应用软件设计者往往采用传统 的d s p 软件设计方法，即用中断或数据流驱动的编程模式，由软件设计者负责任务调 度等操作，这样做虽然可以避免操作系统占用内存资源等问题，但随着基于d s p 的实 时多任务应用的日益普遍，这种传统的围绕顺序处理和循环来构建d s p 应用软件的开 发途径并不可取，越来越多的开发者开始采用基于d s p 的多线程内核来设计应用软件。 多线程能够使实时多任务应用程序被清晰地分解成多个功能不同、优先级不同的线程， 所以一个多线程应用程序更容易在不影响某些关键线程的响应时间的前提下进行维护 2 第一苹绪论 和升级，而这一点在采用传统顺序处理和循环处理结构的应用程序中则很难做到。同时， d s p b i o s 具有好的可裁剪性，允许用户裁剪出满足应用的最小系统，研究表明软件中 内核响应时间非常短，对于c 6 0 0 0 来说内核占用不到1 的c p u 时间，剩余9 9 的时 间c p u 用来做空闲循环，而这部分时间是可以由用户程序任务进行抢占的，是软件设 计者可以利用的。目前国外基于t ic 5 0 0 0 、c 6 0 0 0d s p s 的嵌入式应用系统软件， 7 0 8 0 是利用d s p b 1 0 s 进行开发的。 另外，d s p s 的各种不同的应用都面临需求分析、总体设计、框架设定等实时系统 体系结构的问题，t i 公司针对不同的应用级别提出了相应的参考框架( r e f e r e n c e f r a m e w o r k , r f ) ，r f 支持e x p r e s s d s p 标准，包括成熟的r f l 、r f 3 、r f 5 以及即将推 出的r f 6 ，方便用户参考使用，同时，用户可根据实际需要进行修改使用。e x p r e s s d s p 软件、操作系统内核d s p b i o s 以及t i 用户参考框架的推出使得d s p 嵌入式应用系统 软件的设计难度大大降低，系统开发周期缩短，形成了实际上的业界标准并进入了快速 发展的时期。 1 3 本文主要工作 本课题来源于无锡路通电子技术有限公司光纤同轴电缆混合( h y b df i b e r - c o a x i a l , h f c ) 网络反向噪声监测系统的实时频谱计算部分实时频谱分析仪，重点研究了如 何利用t i 参考框架r f 和d s p b i o s 操作系统进行d s p 软件设计并在满足实时性要求 基础上实现系统功能。实时频谱分析采用t it m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b ( 简称c 6 7 1 3 ) 芯片对有 线电视网络反向通道采样数据进行必要的处理( 包括数据加窗、重叠、快速傅立叶变换 等) ，得到频域数据。主机通过c 6 7 1 3 的主机接口( h o s t p o r ti n t e r f a c e ，h p i ) 可以访问 芯片内部几乎所有存储空间，可以和处理器进行简单而有效的握手操作与数据通信。反 向噪声监测系统将d s p s 处理过的数据通过h p i 接口传输到系统的控制部分，同时接收 来自控制部分的指令有选择地进行信号处理工作，即采用h p i 连接c 6 7 1 3 和控制部分 的c p u 构成双核系统，所以d s p 软件除了包括采样数据的读取与处理外，将同时涉及 如何与主机c p u 进行通信。反向噪声监测系统采用d s p 技术实时分析h f c 双向网络 中反向通道信号的频谱，达到实时监测通道中噪声情况的目的，为系统维护人员提供参 考数据。主要工作具体包括以下内容： ( 1 ) 对t i 的操作系统内核_ d s p b i o s 特别是其存储管理、线程调度、e d m a 等资源配置进行研究，并对t i 参考框架进行初步研究，在此基础上完成了应用系统软 件流程设计、系统任务在d s p b i o s 中的线程划分以及系统参考框架的设计； ( 2 ) 进行了系统软件功能模块设计，将核心部分划分为几个模块：系统初始化模块、 高速数据采集与传输模块、频谱分析模块、频谱数据输出模块以及系统引导模块，在此 基础上重点研究了频谱分析功能的核心算法一一快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 算法及其在c 6 7 1 3 上的实现、利用c 6 7 1 3 的e d m a 控制器高速读取 并传输实时数据； ( 3 ) 研究t i 软件的实时监测技术，将实时监测技术应用在软件开发的过程当中，对 江南大学硕十学位论文 软件进行了实时监测和分析，同时，初步研究了d s p 软件代码优化技术，在利用 d s p b i o s 实时监测与分析功能为代码优化提供依据的基础上，进行代码优化工作； ( 4 ) 在以上几点研究工作的基础上，还对t id s p 应用系统d s p b i o s 引导技术以 及程序代码固化技术进行研究，实现系统上电自启动功能，最终完成了d s p 实时频谱 仪的设计。 1 4 论文结构 第一章主要介绍了课题的背景、研究意义，d s p s 的发展现状与软件设计现状，以 及主要研究内容。 第二章研究了t it m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p s 的体系结构与算法标准，重点对 e x p r e s s d s p 算法标准软件中的d s p b i o s 实时操作系统内核与参考框架进行了研究， 并对d s p 嵌入式应用系统软件开发工具进行选择，为软件设计的实践工作提供软件环 境。 第三章是对d s p 嵌入式系统设计的实践，即频谱分析系统的总体设计，重点阐述 了系统功能性需求分析以及d s p 软件总体设计；对上位机软件进行了介绍；针对d s p 实时频谱分析系统实际情况，对d s p 芯片以及开发嵌入式软件所需的硬件平台进行选 择。 第四章对频谱分析系统软件进行了详细设计。主要包括软件的流程设计、参考框架 的设计、f f t 算法的研究与d s p 实现、系统模块划分及各模块具体的设计与实现。 第五章研究了t id s p b i o s 的实时监测调试技术，并对软件代码的优化进行了初步 研究。 第六章对本文的研究内容和研究方法进行了总结，对d s p 实时频谱分析系统的不 足进行了阐述，并提出对今后工作的展望。 4 第二章t ic 6 0 0 0 t m 体系结构与算法标准软件 第二章t ic 6 0 0 0 t m 体系结构与算法标准软件 2 1t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 州体系结构 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 t m 是t i 公司于1 9 9 7 年推出的d s p 芯片。该d s p 系列芯片定点、浮 点兼容，其中，定点系列是t m s 3 2 0 c 6 2 x x 。定点c 6 2 x x 系列目前有c 6 2 0 1 c 6 2 1 1 c 6 2 0 3 c 6 2 0 4 5 等品种，浮点c 6 7 x x 系列目前有c 6 7 0 1 c 6 7 1 1 c 6 7 1 3 等品种。2 0 0 0 年3 月，t i 又发布了新的c 6 4 x x 内核，其主频为1 1 g h z ，处理速度达到9 0 0 0 m i p s ，在数 字图像处理领域和流媒体应用领域得到了广泛的应用。c 6 4 x x 的发布，对d s p 业界再 次产生新的冲击。 c 6 0 0 0 t m 片内有8 个并行的处理单元，分为相同的两组。d s p 的体系结构采用超长 指令字( v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw 6 r d ，v l i w ) 结构【5 】【6 1 ，指令字长为3 2 位，指令包里有 8 条指令，总字长达到2 5 6 位。执行指令的指令包同时分配到8 个处理单元，并由8 个 单元同时运行。 本课题所用的d s p 芯片为t it m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b ，它属于t i 公司c 6 0 0 0 浮点系列 t m s 3 2 0 c 6 7 x 中的一种，最高频率为2 2 5 m h z ，最大处理能力可以达到1 8 0 0 m i p s ，其 功能框图如图2 1 所示【7 1 ，主要特点如下： ( 1 ) 具有v e l o c i t i t m 先进v l i w 结构的t m s 3 2 0 c 6 7 x t m 内核； ( 2 ) 片内r a m 为两级高速缓存结构，4 k 字节程序c a c h e ( l 1 p ) 、4 k 字节数据c a c h e ( l 1 d ) 和2 5 6 k 字节二级缓存( l 2 s r a m c a c h e ) ； ( 3 ) 1 6 3 2 - b i t 高性能外部存储器接口( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ，e m i f ) 可以与f l a s h 、 e p p r o m 、s d r a m 、s b s r a m 和s r a m 等同步、异步存储器直接接口，最多高达 5 1 2 m 字节外部存储器可寻址空间； ( 4 ) 片内集成丰富的外设： 增强型直接存储器访问( e n h a n c e dd i r e c tm e m o r ya c c e s s ，e d m a ) 控制器，具有 1 6 个独立的通道； 1 6 - b i t 主机接口( h o s tp o r ti n t e r f a c e s ，h p i ) ： 两个多通道音频串口( m u l t i c h a n n e la u d i os e r i a lp o r t ，m c a s p ) ； 两个多通道缓冲串口( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t , m c b s p ) ； 两个1 2 c 总线主从模式接口； 两个3 2 - b i t 通用计时器； 一个1 6 引脚的通用输入输出模块( g e n e r a lp u r p o s ei n p u t o u t p u t ，g p i o ) ，具有外 部中断功能； ( 5 ) 支持多种复位加载模式：h p i 、8 - b i t 、1 6 - b i t 、3 2 b i t r o m 加载； ( 6 ) 支持i e e e 1 1 4 9 1 ( j t a g ) 边界扫描标准，调试时可以由p c 机方便可靠的控制d s p s 上面的所有资源； ( 7 ) 内核供电电压：1 2 v ( g d p p y p ) ，i o 电压3 3 v ； ( 8 ) g d p 球栅阵列封装，p y p 方形扁平封装； 5 江南大学硕十学位论文 此外，c 6 7 1 3 片内集成了一个灵活的锁相环( p l l ) 时钟发生器模块，包括倍频器、 分频器和复位控制器等，倍频因子为4 2 5 ，分频系数为1 3 2 ，两者结合起来可 以为系统的不同部分提供不同的时钟，这样，一方面可以利用较低频率的外部时钟源产 生较高的系统内部时钟，减小高速开关时钟带来的高频噪声；另一方面根据系统不同部 分的工作状态给出不同的时钟频率，可以降低系统整体功耗。 叫e m i f 卜叶 l 2l 1 pc a c h e4 k b 面丽丽卜 c a c h e 存储器 + c 6 7 1 3c p u 叫里垂匝卜一 6 4 k b 指令预取 j 空带0 叫m 堂璺! ! 卜 一 指令分配 寄存器 通 指令译码 控制逻辑 复 叫m c b s p 0 卜_ +道 数据通路a数据通路b 测试 厶 m a 寄存器组b 寄存器组 口 叫1 2 c 1 卜 o 仿真 一 弓 i l 1i s 1f m 1f d lf l 2 f s 2 m 2f d 2 中断控制 脚 厂面万卜 控 制 h | t i m e r l 卜 器 l l dc a c h e4 k b 叫j 亟互卜一 l 2 h | 竺! q 卜 存储器 1 9 2 k b 时钟产生 厂面r 卜 和p l l 看门狗 图2 - 11 m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 功能框图 f i g 2 1f u n c t i o n a lb l o c ko f t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 2 2e x p r e ss d s p 算法标准软件 t i 公司的e x p r e s s d s p 算法标准软件主要针对代码的可重复利用，适用于t i 的d s p 芯片，按该标准开发的算法可以独立于具体的应用系统【8 】【9 】，主要表现在算法模块的资 源分配和调度与算法的分离，开发出的d s p 算法无需修改或只需很少的修改，就可以 集成在新的d s p 系统中，即实现代码的重复使用。e x p r e s s d s p 算法标准软件包括：互 操作和代码重用的标准规范( e x p r e s s d s pa l g o r i t h ms t a n d a r d ，x d a i s ) ；t id s p 集成开 发环境( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ，c c s ) ；一个可升级的实时操作系统内核- d s p b i o s 竺【1o 】 寸o 2 2 1c c s 集成开发环境 进行d s p 嵌入式系统开发时，选择合适的工具可以加快开发进度，从而节省开发 成本，因此一套含有编辑软件、编译软件、汇编软件、连接软件、调试软件、工程管理 及函数库的集成开发环境是必不可少的。 c c s 是一个完整的d s p 集成开发环境，也是目前最优秀、最流行的d s p 开发软件 之一。c c s 最早由g od s p 公司为t i 的c 6 0 0 0 系列开发，后来t i 收购g od s p ，并将 c c s 扩展到其他系列。现在所有的t id s p 都可以使用该软件工具进行丌发，并为c 2 0 0 0 、 c 5 0 0 0 和c 6 0 0 0 系列d s p 提供d s p b i o s 功能，c c s 主要包含以下功能【1 1 1 ，其工作界 6 第二章t i c 6 0 0 0 结构与算法标准软件 面如图2 2 所示： ( 1 ) 集成可视化代码编辑界面可直接编写c 、汇编、h 文件、链接命令( c o n n e c tc o m m a n d f i l e ，c m d ) 文件和通用扩展语言( g e n e r a le x t e n s i o nl a n g u a g e g e l ) 文件等； ( 2 ) 集成代码生成工具，包括汇编器、优化c 编译器和连接器等； ( 3 ) 基本调试工具，如装入执行代码( o u t 文件) ，查看寄存器、存储器、反汇编、变 量窗口等，支持c 源代码级调试； ( 4 ) 支持多d s p s 调试； ( 5 ) 断点工具，包括硬件断点、数据空间读写断点、条件断点( 使用g e l 编写表达式) 等： ( 6 ) 探针工具( p r o b ep o m p ) ，可用于算法防真、数据监视等： ( 7 ) 分析工具( p r o f i l e p o m p ) ，可用于评估代码执行的时钟数： ( 8 ) 数据的图形显示工具，可绘制时域，频域波形、眼图、星座图、图像等，并可自动 刷新： ( 9 ) 提供g e l 工具，用户可编写自己的控制面板廉单，方便直观地修改变量，配置参 数等； ( 10 ) 支持实时数据交换( r e a lt i m ed a t ae x e h a n g e ，r t d x ) 技术，可在不中断目标系 统运行的情况下，实现d s p 与其他应用程序的数据交换； ( 1 i ) 提供d s p b i o s 工具，增强对代码的实时分析能力( 如分析代码执行的效率) ，调 度程序执行的优先级，方便管理或使用系统资源，从而减少了开发人员对硬件资源熟悉 程序的依赖性。 一! 自窖日广 青叠哂量时i 至j 小非叵 f 矗再f j 瓦i j 尊曲出 e牛 昂甜口目盛日口画正 一 再 u 孽胃剽 _ 二 。1 i t i h 惭”“j，厂 ，- 1 9 r jm 图2 - 2c c s 工作界面 f i g2 - 2 t h e w o t k m g i m e r f a e e o f c c s 7 江南火学硕士学位论文 图2 3 为c c s 环境下的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 软件丌发流程图1 2 】【1 3 】，其中虚线内的部分 是常规的开发流程，其余部分是可选择的增强开发手段的辅助功能： 图2 - 3t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 软件开发流程 f i g 2 3s o f t w a r ed e v e l o p m e n tf l o wo f t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 软件开发流程主要分为以下几个步骤【1 4 j ： ( 1 ) 生成汇编源文件：汇编源程序是程序员用d s p 规定的汇编语言指令或格式编 写的文本形式的源代码，也可能是程序员编写的c 语言程序通过c 6 0 0 0 的优化编译器 编译生成的汇编源程序； ( 2 ) 生成目标文件：汇编源程序生成之后，调用汇编器将其汇编成一个目标文件。 t i 公司的d s p 器件使用的目标模块格式是通用目标文件格式( c o m m o no b j e c tf i l e f o r m a t , c o f f ) 。采用c o f f 格式，有利于程序的模块化编写和目标模块的重定位； ( 3 ) 生成可执行目标模块：通过调用连接器可以将生成的分离目标文件结合在一 起，生成一个单一的已连接的目标代码模块。这样就可以通过下载器或十六进制转换程 序，将此模块代码载入到d s p 系统的存储器中，执行程序。 以上步骤是d s p 开发的基本流程，在软件开发过程中可能还要进行其他的工作： 比如调用了宏或者实时运行库当中的函数，就需要其他工具或数据库的支持。 2 2 2 实时操作系统内核d s p b i o s 嵌入式应用软件的基础与开发平台是实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m , 8 第二章t ic 6 0 0 0 t m 体系结构与算法标准软件 r 1 s ) ，它是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之上， r t o s 还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将c p u 时间、中断、i o 和定时器等 资源都包括进来，留给用户一个标准的a p i ，并能根据各个任务的优先级，合理地在不 同任务之间分配c p u 时间。r t o s 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包 括任务管理、定时器管理、存储管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队 列管理以及旗语管理等，这些管理功能以内核服务函数的形式交给用户调用，即r t o s 的a p i 函数。传统的嵌入式系统设计没有操作系统的参与，所有系统功能均由程序员安 排完成，应用程序完全控制c p u 和硬件，这对嵌入式系统的开发人员提出了较高的要 求。在复杂系统中，这种编程方法不容易实现且出错率高。嵌入式操作系统的出现，为 应用程序提供了一个虚拟的硬件平台，减少了很多不确定的因素，使系统的稳定性得到 了极大保证，同时大大缩短了开发周期【l 引。 随着d s p s 硬件技术和体系结构的不断发展与改进，相对发展较慢的d s p 软件技术 与之形成鲜明对比。很长一段时间以来，软件工程师们仍然沿用传统的软件设计和调试 方法，对于越来越复杂的d s p 应用系统，特别是具有多任务、多线程并需要在优先级 等可控的情况下能预测其运行状态时，利用传统的开发平台和开发方法很难达到要求， 代码的可用性差，开发周期较长，系统开发很大程度上依赖于软件编程人员的编程技巧， 软件开发的灵活性导致了软件移植性很差。正是在这种情况下，t i 公司推出了实时操 作系统内核d s p b i o s 。 d s p b i o s 是一个较成熟的实时内核，主要用于实时调度和同步以及主目标机系统 通信和实时监测，其基本功能是面向对象的任务管理、定时器管理、存储管理、资源管 理、事件管理等等，使用d s p b i o s 实时操作系统内核的好处在于可以实现实时调度、 开发的算法具有标准化和可移植性、创建的应用程序稳定性较好，此外，程序可以享用 操作系统的服务比如信号量等。开发过程有写代码容易、代码易于维护和修改、产品开 发周期短等优势【1 6 】【1 7 】。 d s p b i o s 主要包括d s p b i o s 实时内核a p i 、实时分析工具、d s p b i o s 配置工具 三部分【1 8 】。其中，内核a p i 包括超过1 5 0 个a p i 函数，以c 语言可调用的形式提供， 在遵从c 调用约定的条件下，汇编语言也可调用a p i ，由于应用程序的不同，d s p b i o s a p i 函数的代码长度从5 0 0 - - 一6 5 0 0 字节不等，程序通过调用a p i 函数来使用d s p b i o s 资源。d s p b i o s 实时分析工具可以辅助c c s 环境实现程序的实时调试，以可视化的方 式观察程序的性能，如程序中各个线程占用c p u 时间、代码执行时间统计、显示输出 信息等，实时分析几乎不影响应用程序的运行。 d s p b i o s 内核实质上是可以从c 源程序或者汇编源程序中调用的函数库，目标应 用程序通过在源程序中嵌入相应的a p i 函数从而唤醒d s p b i o s 的运行时刻服务， d s p b i o s 提供如下六类服务： ( 1 ) 系统服务( s y s t e m ) d s p b i o s 通过系统服务的配置，利用可视编辑器来定义目标芯片的全局属性、系 统内存映像、中断向量表等； o 江南人学硕士学位论文 ( 2 ) 调试分析( i n s t r u m e n t a t i o n ) 利用事件纪录器( e v e n tl o gm a n a g e r , l o g ) 和静态对象管理器( s t a t i s t i c so