DSP系统程序设计论文

1、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 SH

2、ARC级处理器ADSP21160ADSP21160具有很大的片内存储区、多重内部总线结构、独立的 I/O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。VxWorks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件支持、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 VxWorks作为MVME16的操作系统。、ADSP21160勺特点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 SIMD（单指

3、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 100/150MHZ的运算核、双端片内 SRAM 1个支持多处理器的集成在片 内的I/O处理器和多重内部总线以消除I/O瓶颈。ADSP21160的汇编源代码与 2106x兼容。SIMD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件。具有完备的与外围设备接口功能。包括独立的I/O处理器、4Mbit的片内双端SRAM可直接连接的多处理器特性及端口（串 口、连接口、外总线及JTAG。ADSP21160包括

4、2个运算处理单元，具有 SIMD功能。处理单元指 的是PEX和PEY PEX始终是有效的，而PEY的有效是通过设置MODE1 寄存器中的PEYEN位来实现的。当PEY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。SIMD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SIMD模式，通过加倍数据带宽来保证处理器单元的操作。 在SIMD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。ADSP2116(包括4Mbit的片内SRAM分为两块，每一块 2Mbit。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

5、可 以使存储块独立地被运算核处理和I/O处理器访问。21160的存储区最 大可以容纳128K的32bit 数据，或 256K的16bit 数据，或 85K的 48bit指令，或其他混合字长的数据，但总和最大为4Mbit。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 BURS访问。DMA$制器的操作相对 处理器运算核是独立和不可见的，即DMA操作可与执行指令同时进行。DMA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DMA

6、4;道，其中：连接口 (linkport) 占6个；串 口占4个；外端口(external port) 占4个。21160可以通过 DMA传输 来下载程序，外围异步设备也可以通过DMA请求/应答线来控制2个DMA® 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 400MB/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 600MB/S整个

7、系统基于VME总线。VME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SRAM可以 被主机和各片DSP直接访问；EPROI用来存放初始化程序和各片 DSF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用来显示插件的状态，如reset、normal等。每一片都有1个连接口连到 插件的前面板，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 (linkport) 是SHA

8、R係列DSP芯片的一个特点。ADSP21160 共有6个8bit连接口提供额外的I/O服务。在100MHz时钟下运行 时，每个连接口可达100MB/&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DMA传输。每一个连接口有它自己的双缓冲I/O寄存器，数据传输可编程，硬件由时钟/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，几乎不需要额外硬件。主机通过21160的外端口对其进行访问，存储区地址映射为

9、统一的地址空间。4个DMA通道可以用于主机接口，代码和数据传输的软件开销很小，主处理器通过HBR HBG和REDY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TornadoVxWorks的开发环境是WindRiver公司提供的Tornado。Tornado 采用主机-目标机开发方式，主机系统可采用运行Sun Solaris、HP-UX以及 Win95/NT的工作站或个人计算机，VxWorks则运行在 Intelx86、MC68K PowerPC或SPARC等处理器上。Tornado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ROM仿真器。Torn

10、ado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 VxWorks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( PersonalDigital Assista nt );大到多处理机系统，如 VME系统。Tornado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Tornado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

11、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，Tornado将传统的目标机方的工具迁移到主机上，如shell、loader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。作为一个应用软件开发环境，Tornado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

12、多种应用工具，为应用软件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 SHARC系列DSP芯片的开发。实时操作系统 VxWorks的开发工具是 WindRiver公司的Tornado集成开发工具。 VisualDSP可以C语言或汇编语言编写的DSP代码，最新版本的VisualDSP还支持C+它还有1个优 点，就是可以编译多片 DSP的源代码，并产生下载文件，这就可以很 方便地进行多DSP系统的软件模拟。ADSP2116 0阵列的设计结构使它既可以构成单指令流多数据流（SIMD的并行处理机，也可以构成多指

13、令流单数据流（ MISD或多 指令流多数据流（MIMD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。SIMD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VME总线为系统开发平台，前端调理模件、模数转换模件和前端控制模件等 为VMEft件，采用SHARC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 VxWorks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

14、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/O的流水线，物理上表现为 CPU 与I/O端口的DMA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

15、，输入 数据率为2Mw/s,输出数据率为4Mw/s,高速连接口 LinkPort最高速 率为100Mw/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VxWorks实时操作系统下，4片ADSP2116C上的程序已经通过模 拟输入和系统测试。采用 SHARC DSP车列能够很好地完成声纳信号实 时处理,每一片DSPS少有10%勺计算裕量，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

16、最高传输速率为 600MB/S整个系统基于VME总线。VME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SRAM可以 被主机和各片DSP直接访问；EPRO用来存放初始化程序和各片 DSF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用来显示插件的状态，如reset、normal等。每一片都有1个连接口连到 插件的前面板，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

17、口 (linkport) 是SHAR係列DSP芯片的一个特点。ADSP21160 共有6个8bit连接口提供额外的I/O服务。在100MHz时钟下运行 时，每个连接口可达100MB/&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DMA传输。每一个连接口有它自己的双缓冲I/O寄存器，数据传输可编程，硬件由时钟/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，几乎不需要额外硬件。主机通过21160的外

18、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DMA!道可以用于主机接口，代码和数据传输的软件开销很小，主处理器通过HBR HBG和REDY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TornadoVxWorks的开发环境是WindRiver公司提供的Tornado。Tornado 采用主机-目标机开发方式，主机系统可采用运行 Sun Solaris、HP-UX 以及 Win95/NT的工作站或个人计算机，VxWorks则运行在 Intelx86、MC68K PowerPC或SPARC等处理器上。Tornado支持各种主机- 目标机连接方式，如以太网、串行

19、线、在线仿真器和ROM仿真器。Tornado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 VxWorks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( PersonalDigital Assista nt);大到多处理机系统，如 VME系统。Tornado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Tornado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

20、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，Tornado将传统的目标机方的工具迁移到主机上，如shell > loader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。作为一个应用软件开发环境，Tornado提供了友好的可视化开发界 面、交叉编译环境、源码级调

21、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，为应用软件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 SHARC系列DSP芯片的开发。实时操作系统 VxWorks的开发工具是 WindRiver公司的Tornado集成开发工具。 VisualDSP可以C语言或汇编语言编写的DSP代码，最新版本的VisualDSP还支持C+它还有1个优 点，就是可以编译多片 DSP的源代码，并产生下载文件，这就可以很 方便地进行多DSP系统的软件模拟。ADSP2116 0阵列的设计结构使它既可以构成单指令流多数据流（SIMD的并行处理机，也可以构成多指令流单数据流（ MISD或多 指令流多数据流（MIMD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。SIMD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VME总线为系统开发平台，前端调理模件、