嵌入式設(shè)計資源簡化優(yōu)化匯聚式處理器的實現(xiàn) - 全文

　　目前國內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)一個普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。

　　嵌入式系統(tǒng)是電腦軟件與硬件的綜合體，它是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，從而能夠適應(yīng)實際應(yīng)用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。一臺通用計算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了5~10個嵌入式微處理器，鍵盤、鼠標(biāo)、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、USB集線器等均是由嵌入式處理器進(jìn)行控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面，嵌入式計算機(jī)都有用武之地。本文將介紹一種獨特的嵌入式平臺核心處理器--匯聚式處理器Blackfin以及其主流的配套操作系統(tǒng)及相關(guān)資源。

　　基于Blackfin構(gòu)建獨特的嵌入式平臺

　　匯聚式處理器Blackfin 基于由 ADI 和 Intel 公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu)(MSA)，它將一個 32 位 RISC 型指令集和雙 16 位乘法累加(MAC)信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種匯聚式處理能力的組合使得Blackfin處理器能夠在信號處理和控制處理應(yīng)用中均發(fā)揮極佳的作用 -- 在許多應(yīng)用中免除了增設(shè)單獨的異構(gòu)處理器的必要，極大地簡化了硬件和軟件設(shè)計。Blackfin處理器非常適合于滿足會聚能力起關(guān)鍵作用的嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計算要求和功耗約束條件，包括多格式音頻、視頻、語言和圖像處理，多模式基帶和分組處理，控制處理和實時安全性。正是這種獨特的系統(tǒng)架構(gòu)、所具有的設(shè)計靈活性和可擴(kuò)展性為Blackfin處理器贏得了廣泛的適應(yīng)性，例如數(shù)字家庭娛樂、網(wǎng)絡(luò)和流媒體、汽車遠(yuǎn)程信息處理和信息娛樂、數(shù)字無線電，以及移動電視終端。

　　目前，Blackfin 處理器在單內(nèi)核產(chǎn)品中可提供高達(dá) 756MHz 的性能，還提供了低至 0.8V 的業(yè)界領(lǐng)先的功耗性能，對于滿足當(dāng)今及未來的信號處理應(yīng)用而言，這種高性能與低功耗的組合特征是必不可少的。Blackfin 處理器都為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了十分重要的特性及性能優(yōu)勢，包括：同時實現(xiàn)各種應(yīng)用的高性能信號處理和高效控制處理能力;可確保產(chǎn)品開發(fā)時間最小化的易用型混合 16/32 位指令集架構(gòu)和開發(fā)工具套件;豐富的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的軟件模塊資源和內(nèi)置硬件資源(存儲器、PWM單元、廣泛的接口等);實現(xiàn)器件功耗模式與終端系統(tǒng)要求相適應(yīng)的動態(tài)電源管理能力。所有的 Blackfin 處理器均具有多個獨立的 DMA 控制器，這些控制器支持自動數(shù)據(jù)傳輸，而所需的處理器內(nèi)核開銷極少。此外，Blackfin處理器具有豐富的存儲器配置，可以極大地方便嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。以ADSP-BF51x系列為例，該處理器同時具有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(FRAM)、SDRAM,還提供了支持Lockbox安全技術(shù)的一次性可編程存儲器。

　　ADI公司推出的Blackfin處理器是一類專為滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計算要求和功耗約束條件而設(shè)計的新型 16~32 位嵌入式處理器。Blackfin 處理器基于由 ADI 和 Intel 公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu)(MSA)，它將一個 32 位 RISC 型指令集和雙 16 位乘法累加(MAC)信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在了一起。 這種處理特征的組合使得 Blackfin 處理器能夠在信號處理和控制處理應(yīng)用中均發(fā)揮上佳的作用 -- 在許多場合中免除了增設(shè)單獨的異類處理器的需要。該能力極大地簡化了 硬件和軟件設(shè)計實現(xiàn)任務(wù)。

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　　操作系統(tǒng)在Blackfin上的組織結(jié)構(gòu)

　　廣泛優(yōu)化的操作系統(tǒng)資源

　　除了硬件平臺之外，嵌入式操作系統(tǒng)的選擇對于正在從事新的嵌入式開發(fā)項目的工程師來說同樣重要。對于Blackfin處理器來說，除了處理器本身的獨特性能特性優(yōu)勢外，強(qiáng)大的嵌入式操作系統(tǒng)資源是該處理器獲得廣泛應(yīng)用的另一個關(guān)鍵因素。Blackfin處理器支持包括VisualDSP自帶的操作系統(tǒng)內(nèi)核(VDK)、ThreadX、uCLinux和Nucleas等獲得業(yè)界廣泛應(yīng)用的操作系統(tǒng)，避免了工程師在從其它處理器平臺移植到Blackfin平臺時因更改操作系統(tǒng)而延長終端產(chǎn)品開發(fā)周期。這些操作系統(tǒng)各自具有不同的特性和功能以及具有不同的價格、版權(quán)費用條款。從特性上看，有代碼非常緊湊、復(fù)雜度低的操作系統(tǒng)(VDK)，有復(fù)雜、具有豐富特性的操作系統(tǒng)(如uClinux)，具有極高可靠性的INTEGRITY,專注于汽車市場需求的RTA-OSEK,等等 .下面將對以下幾類操作系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹。

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　　Blackfin處理器支持的主要操作系統(tǒng)及第三方供應(yīng)商列表。

　　1. ThreadX

　　ThreadX是優(yōu)秀的硬實時操作系統(tǒng)(RTOS)，適用于深嵌入式應(yīng)用中，具有規(guī)模小、實時性強(qiáng)、可靠性高、無產(chǎn)品版權(quán)費、易于使用等特點，并且支持大量的處理器和SoC,包括ARM、PowerPC、SH 4、MIPS、ADI DSP、TI DPS、Nios II等，因此廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車電子、工業(yè)自動化、網(wǎng)絡(luò)解決方案、軍事與航空航天等領(lǐng)域中。ThreadX已被廣泛的用戶接納，并且目前在超過4億5千萬電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。ThreadX配有Express LogicTCP/IP協(xié)議棧NetX、文件系統(tǒng)FileX、USB協(xié)議棧USBX以及GUI開發(fā)包PEGX，所有這些都支持Tensilica最新的Diamond Standard 106Micro產(chǎn)品。

　　Express Logic公司與ADI公司建立了深入的合作關(guān)系，針對ADSP-BF534、ADSP-BF536和ADSP-BF537處理器提供了優(yōu)化的實時操作系統(tǒng)，針對Blackfin雙內(nèi)核處理器ADSP-BF561開發(fā)了增強(qiáng)版的ThreadX實時操作系統(tǒng)(ThreadX SMP RTOS)，該產(chǎn)品大大簡化了開發(fā)商管理在雙內(nèi)核SMP嵌入式處理器上的編程任務(wù)，為Blackfin處理器的雙內(nèi)核提供負(fù)載平衡，縮短了雙內(nèi)核平臺的開發(fā)過程(ThreadX SMP版本是消費電子應(yīng)用中第一個真正的多處理器開發(fā)環(huán)境)。ThreadX實時操作系統(tǒng)可為Blackfin用戶提供實時、多線程應(yīng)用，Express Logic的picokernel結(jié)構(gòu)使該產(chǎn)品具有很高的性能和極小的代碼規(guī)模，最小采用4KB的獨立文件構(gòu)建所有系統(tǒng)服務(wù)。針對Blackfin處理器優(yōu)化的ThreadX還與ADI公司的VisualDSP++集成開發(fā)環(huán)境(IDE)的無縫集成，進(jìn)一步優(yōu)化了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。

　　2. uClinux

　　Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，它與UNIX系統(tǒng)兼容，開放源代碼。它原本被設(shè)計為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域。而更大的影響在于它正逐漸的應(yīng)用于嵌入式設(shè)備。uClinux正是在這種氛圍下產(chǎn)生的。在uClinux這個英文單詞中u表示Micro,小的意思，C表示Control,控制的意思，所以uClinux就是Micro-Control-Linux,字面上的理解就是"針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的Linux系統(tǒng)".uCLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，是micro-Conrol-Linux的縮寫。它秉承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的優(yōu)良特性， 經(jīng)過各方面的小型化改造，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux.雖然它的體積很小，卻仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持和標(biāo)準(zhǔn)豐富的API.它專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作，目前已支持多款CPU. 其編譯后目標(biāo)文件可控制在幾百KB數(shù)量級，并已經(jīng)被成功地移植到很多平臺上。

　　uClinux操作系統(tǒng)可直接運行于Blackfin處理器，對于很多嵌入式應(yīng)用來說，在與Blackfin處理器同等價位的方案中很少有能支持Linux的。然而，在面向特定的嵌入式應(yīng)用時，例如內(nèi)存空間有限或需要實時確定性以及高安全性能的應(yīng)用，Linux仍存在許多挑戰(zhàn)。工具鏈的改善、不斷演變的標(biāo)準(zhǔn)化努力等，都有助于提升Linux對于所有嵌入式應(yīng)用的價值。為此，ADI公司在uClinux里集成了大量硬件驅(qū)動和應(yīng)用例程，包括無線局域網(wǎng)驅(qū)動、音/視頻編解碼器驅(qū)動等，從而將幫助客戶非常方便地從原來的系統(tǒng)移植到Blackfin平臺上來。此外，ADI還與全球領(lǐng)先企業(yè)建立了廣泛的合作關(guān)系，為基于Linux的Blackfin嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)提供了大量的優(yōu)化的操作系統(tǒng)應(yīng)用資源。ADI與公認(rèn)的uClinux先驅(qū)Arcturus Networks公司聯(lián)合推出的新型uCBF54x啟動開發(fā)工具套件和系統(tǒng)模塊就是這樣的一個范例。該開發(fā)套件可以加快具有多通道語音、mini PBX或IP視頻能力的嵌入式媒體設(shè)備的開發(fā)過程，提供的軟件包括開源uClinux BSP(板級支持包)以及Arcturus語音與管理中間件，包括完整的SIP和RTP堆棧。經(jīng)過多年積累，Blackfin Linux已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域最為穩(wěn)定的嵌入式Linux發(fā)行包之一。

　　3. μC/OSII

　　μC/OSII作為一個源碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)，可以支持64個任務(wù)，同時支持信號量、消息隊列、郵箱等多種常用的進(jìn)程間通信方式。該操作系統(tǒng)程序可讀性強(qiáng)、移植性好、可裁剪，并已在通信、電子、自動化等領(lǐng)域的嵌入式設(shè)備中獲得了大量的應(yīng)用。μC/OSII是Blackfin所支持的RTOS之一，在高速的Blackfin處理器上有很強(qiáng)的硬實時性能，操作系統(tǒng)中斷響應(yīng)時間約為110周期(600MHz下約0.18us)，同樣針對Blackfin處理器的主要目標(biāo)應(yīng)用集成了大量硬件驅(qū)動模塊和各種庫資源。

　　如果上述的操作系統(tǒng)都不能滿足您的目標(biāo)應(yīng)用需求，那么您可以采用隨VisualDSP自帶的操作系統(tǒng)內(nèi)核(VDK)。VDK是一個小而健壯的內(nèi)核，支持當(dāng)前所有的Blackfin處理器以及未來可能出現(xiàn)的新Blackfin處理器產(chǎn)品，基于VDK的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能滿足在不同Blackfin處理器之間的API兼容性。更重要的是，使用VDK不需要支付任何額外的成本，無須支付許可證費用或使用費，它是作為VisualDSP 的一部分提供的，會隨著VisualDSP 的升級而升級。VDK很好地整合到了VisualDSP中，在項目的靜態(tài)設(shè)置(如線程創(chuàng)建和信號量)管理非常方便，提供了很多的便利功能，包括線程、優(yōu)先級、信號量、消息傳遞、關(guān)鍵域和禁止調(diào)度域等

　　完善的軟件開發(fā)工具環(huán)境

　　隨著嵌入式處理應(yīng)用越來越復(fù)雜、投放市場的時間越來越急迫，完善的開發(fā)環(huán)境變得越來越重要。除了上述全系列優(yōu)化的嵌入式操作系統(tǒng)外，具有完整的開發(fā)環(huán)境是其受廣泛歡迎的重要原因之一。ADI提供業(yè)界一流的工具、初學(xué)套件與支持，包括熟知的、能夠支持其他Blackfin處理器的ADI CROSSCORE軟件與硬件工具，這些工具包括獲獎的VisualDSP++集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境、仿真器，以及EZ-KIT Lite評估版硬件。

　　此外，ADI還為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了大量的系統(tǒng)服務(wù)程序，即為嵌入式系統(tǒng)提供各種常見功能的軟件庫，這些服務(wù)程序?qū)嶋H上是可用于任何系統(tǒng)的公用程序，既可在未安裝RTOS的獨立式環(huán)境下運行，又可用于VDK環(huán)境。利用這些系統(tǒng)服務(wù)程序，用戶可以便捷、高效地接入Blackfin處理器的硬件子系統(tǒng)，具體而言包括鎖相環(huán)路、直接內(nèi)存存取、中斷控制器、標(biāo)志控制器和定時器等等。所有Blackfin處理器均采用一套通用的API,各種應(yīng)用和設(shè)備驅(qū)動程序均可使用這些系統(tǒng)服務(wù)程序。系統(tǒng)服務(wù)程序中包含的軟件都經(jīng)過反復(fù)測試、穩(wěn)定可靠的，用戶可以輕松直接使用這些程序。利用服務(wù)程序，用戶可以輕松整合這些模塊化軟件。服務(wù)程序?qū)⒇?fù)責(zé)管理硬件資源，因此，將不同開發(fā)人員編寫的兩個程序塊整合起來變得輕而易舉。這些服務(wù)程序都與VisualDSP++集成開發(fā)環(huán)境一起提供。

　　為改進(jìn)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，美國國家儀器有限公司(NI)與ADI聯(lián)合推出了專用于ADI Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊，將LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流的開發(fā)環(huán)境擴(kuò)展到高性能、低功耗的Blackfin處理器，通過無縫地集成到ADI VisualDSP++開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，極大地方便進(jìn)行快速的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。使用NI LabVIEW嵌入式技術(shù)可以一步到位完成系統(tǒng)建模的硬件在環(huán)測試和原型設(shè)計，幫助沒有嵌入式編程經(jīng)驗的工程師克服嵌入式開發(fā)過程中遇到的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)，可以花更少的時間在細(xì)節(jié)的了解和傳統(tǒng)低層工具的語法上，從而可以把更多的時間用于設(shè)計優(yōu)化。這一圖形化的軟件包括140多種Blackfin特有的、經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)學(xué)、分析和信號處理函數(shù)，如音頻和視頻DAC、ADC和編解碼器等集成I/O.

　　盡管有優(yōu)化的操作系統(tǒng)可供選擇以及提供無縫集成的完善開發(fā)工具環(huán)境，但即使對于一個經(jīng)驗豐富的設(shè)計工程師來說，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計依然是一個極具挑戰(zhàn)性的工作。為幫助企業(yè)更快地利用Blackfin處理器完成優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計，加快產(chǎn)品面市時間并降低設(shè)計成本，ADI還與眾多本地技術(shù)提供商建立了緊密的合作關(guān)系，通過他們?yōu)槠髽I(yè)提供更具針對性、貼身的技術(shù)支持。這些第三方機(jī)構(gòu)除了提供針對特定應(yīng)用的完整參考設(shè)計外，還提供相應(yīng)的仿真器、集成開發(fā)環(huán)境，以及嵌入式開發(fā)培訓(xùn)等服務(wù)。這些機(jī)構(gòu)包括：嵌入式開發(fā)工具和培訓(xùn)提供商深圳英蓓特(提供ADSP開發(fā)工具 Embest EmLink仿真器 Embest BDT集成開發(fā)環(huán)境);針對多種應(yīng)用的嵌入式Linux開發(fā)平臺及OEM板級硬件方案的華恒科技(HHBF531-StartKit,uCLinux下全套開發(fā)工具集硬件驅(qū)動、協(xié)議棧等);提供嵌入式數(shù)字媒體開發(fā)工具的上海德景(DUITEK_BF_DEMO評估板);等等。

　　應(yīng)用案例--數(shù)碼相框設(shè)計

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　　數(shù)碼相框方案結(jié)構(gòu)圖

　　上圖是上海世勤電子科技有限公司基于Blackfin處理器BF52x系列開發(fā)的數(shù)碼相框產(chǎn)品方案結(jié)構(gòu)圖，該產(chǎn)品具有互聯(lián)網(wǎng)WiFi無線連接、電子郵件發(fā)送、RSS新聞閱讀、即時照片分享、全觸摸操作等領(lǐng)先的性能特性。該方案采用了uClinux嵌入式操作系統(tǒng)。作為一款典型的消費電子產(chǎn)品，滿足產(chǎn)品高性能要求的低成本實現(xiàn)方案是選擇的關(guān)鍵，Blackfin可以直接運行于uClinux使得方案有效地降低了整體實現(xiàn)成本，而且極大地方便了將公司以往的設(shè)計軟件移植到新的系統(tǒng)中。事實上，在與BF52x處理器相近價格的同類解決方案中，很少有支持Linux的處理器。