摘 要： 針對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)際需要，介紹了基于title="ARM">ARM微處理器S3C2410A和DSP數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6211雙核結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。闡述了該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與軟硬件設(shè)計(jì),，系統(tǒng)主從設(shè)備單元之間通過(guò)I/O口與HPI接口實(shí)現(xiàn)通信。該系統(tǒng)具有性能高,、功耗低,、實(shí)時(shí)性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)及工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn),。
關(guān)鍵詞： DSP,；ARM；通信
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測(cè)物理環(huán)境逐漸成為現(xiàn)實(shí)和研究的熱點(diǎn)。同時(shí),，嵌入式設(shè)備功耗低,、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為需要利用設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控等諸多場(chǎng)合提供可靠的支持,。
本文設(shè)計(jì)了基于ARM和DSP的雙核嵌入式監(jiān)控系統(tǒng),，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集物理環(huán)境的數(shù)據(jù)信息并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端以得到即時(shí)處理。系統(tǒng)以ARM芯片為主設(shè)備單元處理器,，完成各種控制和網(wǎng)絡(luò)功能，以DSP芯片作為從設(shè)備單元處理器,，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理,，ARM單元和DSP單元構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的雙核架構(gòu)。該系統(tǒng)通過(guò)自主運(yùn)行采集和分析處理被監(jiān)控區(qū)域的物理信息,，依據(jù)實(shí)際需求將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)或做出如報(bào)警,、跳閘等即時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)區(qū)域的物理事件的實(shí)時(shí)監(jiān)控與檢測(cè),。
1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
檢測(cè)被監(jiān)控環(huán)境中物理信息的傳統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備,，一般采用單核DSP處理器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,，穩(wěn)定性不高,。本設(shè)計(jì)采用ARM與DSP雙核結(jié)構(gòu)，通過(guò)系統(tǒng)主從兩個(gè)設(shè)備單元的硬件通信接口的設(shè)計(jì)和軟件通信的設(shè)計(jì),，將32位嵌入式微處理器ARM與數(shù)字信號(hào)處理器DSP相結(jié)合,，以充分利用雙核處理器的優(yōu)勢(shì),。ARM系統(tǒng)單元采用經(jīng)過(guò)裁剪的Linux嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能等,；DSP單元通過(guò)檢測(cè)算法的移植,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集分析、處理和數(shù)據(jù)傳輸,。
該雙核設(shè)備系統(tǒng)中,，ARM系統(tǒng)作為主設(shè)備單元實(shí)現(xiàn)各控制功能，向DSP單元發(fā)出控制指令,，通過(guò)硬件接口接收DSP采集的數(shù)據(jù),；DSP系統(tǒng)作為從設(shè)備單元，搜集,、分析和處理傳感器或CCD等外設(shè)獲取的物理數(shù)據(jù),，并向主設(shè)備單元發(fā)送有效信息。其中,，ARM和DSP之間數(shù)據(jù)交換的速度決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度和性能,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成
監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分組成：ARM微處理器主設(shè)備單元和DSP數(shù)據(jù)處理器從設(shè)備單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,。為提高主從設(shè)備單元之間的數(shù)據(jù)交換速度從而有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能,，主處理器采用Samsung公司的ARM9內(nèi)核芯片S3C2410A[1]，從處理器采用TI公司的TMS320C6211 DSP芯片[2],。
S3C2410A主頻為200 MHz～266 MHz,，數(shù)據(jù)處理速度為1.1 MIPS/MHz，其性能出色,，片內(nèi)外資源豐富,、視頻處理功能優(yōu)秀、功耗低,、外設(shè)接口豐富,，可以滿(mǎn)足多種設(shè)備外接的需求。TMS320C6211工作頻率可達(dá)167 MHz,，數(shù)據(jù)處理速度可達(dá)1 333 MIPS,。TMS320C6211已經(jīng)廣泛應(yīng)用于視頻檢測(cè)卡中，可做到以視頻圖像幀速率檢測(cè)信息[3],，外設(shè)接口豐富,。如圖1所示，ARM處理器選擇通用外部接口GPIO(General purpose I/O)的Port C端口16根數(shù)據(jù)線與DSP的主機(jī)接口HPI(Host Port Interface)相連接,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳輸,。ARM在接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)需要做出相應(yīng)處理,，如將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò),、報(bào)警等,；DSP通過(guò)中斷的方式定時(shí)向ARM單元提出數(shù)據(jù)傳輸申請(qǐng)，經(jīng)響應(yīng)后將數(shù)據(jù)傳輸給主設(shè)備單元,，進(jìn)而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端,。
2.2 主設(shè)備單元設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主設(shè)備單元采用ARM處理器為核心實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù),，通過(guò)相應(yīng)的外設(shè)可以實(shí)時(shí)顯示或相應(yīng)處理,，如報(bào)警、電路跳閘和網(wǎng)絡(luò)通信等,。S3C2410A處理器采用ARM9內(nèi)核,，具有功耗低、體積小,、集成度高等特點(diǎn),，可通過(guò)GPIO連接多種外設(shè)。其中,，內(nèi)部集成了1片8 M×32 bit的Flash,，1個(gè)16 M×32 bit寬的SDRAM的內(nèi)存，主設(shè)備單元組成如圖2所示,。
主設(shè)備控制單元模塊中,，外接1片8 M×16 bit的Flash，一個(gè)16 M×16 bit寬的SDRAM,，加上處理器自帶的內(nèi)存,，總共構(gòu)成32 MB Flash、96 MB SDRAM,，可充分滿(mǎn)足嵌入式操作系統(tǒng)的移植和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求,。控制單元通過(guò)USB口與外設(shè)或上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與系統(tǒng)移植,，利用專(zhuān)用的JTAG調(diào)試接口實(shí)現(xiàn)功能調(diào)試,。另外，可以利用GPIO外接多種不同的設(shè)備,，如顯示器、報(bào)警器,，也可以通過(guò)自帶的網(wǎng)口連接到辦公網(wǎng)絡(luò)等,。
2.3 從設(shè)備單元設(shè)計(jì)
從設(shè)備單元以TMS320C6211芯片為核心，該芯片采用的哈佛結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)具有更高的DSP 指令速度,，且具有分離的數(shù)據(jù)總線和程序總線,，片內(nèi)集成了ROM、RAM 和多個(gè)外設(shè)數(shù)據(jù)處理部分,。
TMS320C6211芯片有兩種方式實(shí)現(xiàn)與ARM控制芯片相連接：(1)利用主機(jī)設(shè)備接口HPI,，主設(shè)備單元直接訪問(wèn)DSP,，DSP作為從設(shè)備使用；(2)利用增強(qiáng)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制器EMIF(External Memory Interface),，把ARM控制器映射到EMIF的存儲(chǔ)空間的方式,，使用EMIF控制DSP與ARM的數(shù)據(jù)傳輸，DSP作為主設(shè)備使用[4,，6],。本文選擇DSP作為從設(shè)備的方式，利用HPI和主設(shè)備單元進(jìn)行通信,。
TMS320C6211芯片的主機(jī)接口HPI是1個(gè)16 bit并行端口,，主設(shè)備芯片S3C2410A掌管該接口的主控權(quán)，HPI接口允許主設(shè)備芯片通過(guò)HPI的3個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP存儲(chǔ)空間的隨機(jī)地址存取和自增地址存取,。DSP芯片的HPI接口3個(gè)寄存器分別是：控制寄存器(HPIC),、數(shù)據(jù)鎖存器(HPID)、地址寄存器(HPIA),。HPI接口信號(hào)及其功能如表1所示,。主設(shè)備芯片S3C2410A和TMS320C6211都可以存取HPI控制寄存器，主設(shè)備還可以存取HPI地址寄存器和HPI數(shù)據(jù)寄存器,，HPI的3個(gè)寄存器都采用存儲(chǔ)器映射方式映射到主設(shè)備的存儲(chǔ)空間[3,，6]。
2.4 主從設(shè)備單元的接口設(shè)計(jì)[4-6]
S3C2401A作為主處理單元的處理器工作在主機(jī)模式下,，TMS320C6211作為信號(hào)采集與處理單元的處理器工作在從機(jī)模式下,。ARM系統(tǒng)單元在系統(tǒng)上電時(shí)對(duì)DSP系統(tǒng)單元進(jìn)行初始化并加載檢測(cè)程序及參數(shù)，利用I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作,，通過(guò)HPI接口訪問(wèn)DSP的整個(gè)存儲(chǔ)空間,。ARM給DSP發(fā)送控制信息時(shí)，通過(guò)HPI接口將控制數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入DSP的某個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi),，DSP經(jīng)查詢(xún)控制信息后,，到約定好的DSP存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)取數(shù)據(jù)并作相應(yīng)處理，如寫(xiě)數(shù)據(jù)到HPI端口等,。
S3C2401A通過(guò)端口C(Port C)的16根數(shù)據(jù)線和TMS320C6211的HPI接口HD[15：0]連接傳輸數(shù)據(jù),，通過(guò)控制線分別產(chǎn)生不同的硬件控制信號(hào)。S3C2410A的2根地址線ADDR2,、ADDR3分別接到TMS320C6211的HCNTL0,、HCNTL1，以完成對(duì)HPI接口不同寄存器的訪問(wèn),。地址線ADDR4代替HR/W信號(hào)和HPI口的HR/W相接,，用于選擇HPI接口處于寫(xiě)或讀狀態(tài)。地址線ADDR1與DSP 的HHWIL與相連接,，其信號(hào)表明并區(qū)分HD[15：0]上傳輸?shù)氖?2 bit數(shù)據(jù)中的高16 bit還是低16 bit,。TMS320C6211與S3C2401A間所有的數(shù)據(jù)交換是32 bit寬,，而HPI端口為16 bit，所以每次數(shù)據(jù)訪問(wèn)都需要進(jìn)行2次存取,，由HPI自動(dòng)將HD[15：0]上連續(xù)的2個(gè)16 bit數(shù)據(jù)合成32 bit,，也可以用其進(jìn)行反向分解。
S3C2410A的讀/寫(xiě)信號(hào)nOE和nWE分別接到HDS1和HDS2,，HPI口的HDS1和HDS2是數(shù)據(jù)選通信號(hào),，所有的地址線和控制線都在它們的下降沿采樣。從機(jī)HRDY信號(hào)接到主機(jī)的nWAIT(等待信號(hào))上,，HRDY是HPI準(zhǔn)備好端,，低電平表示HPI已準(zhǔn)備好執(zhí)行一次數(shù)據(jù)傳送，高電平表示HPI正忙于完成當(dāng)前事務(wù),。HPI口的中斷信號(hào)HINT連接到主機(jī)上的外部中斷引腳EINT8,，用于產(chǎn)生或偵聽(tīng)中斷信號(hào)。HAS是地址選通信號(hào),，此信號(hào)用于主機(jī)的數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用的情況,，不用時(shí)此信號(hào)應(yīng)接高電平。
把TMS320C6211映射到S3C2410A的存儲(chǔ)空間組BANK2,，將BANK2的片選信號(hào)nGCS2與HPI接口的片選信號(hào)HCS相連接,，只要對(duì)BANK2進(jìn)行操作，就可以產(chǎn)生DSP的片選信號(hào),。將TMS320C6211的引導(dǎo)模式設(shè)置為HPI boot模式,，在復(fù)位后由主機(jī)通過(guò)HPI口對(duì)DSP進(jìn)行初始化操作，包括初始化CPU和EMIF及向DSP加載程序和數(shù)據(jù)等,，主從設(shè)備之間硬件接口連接如圖3所示,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)的初始化
在設(shè)計(jì)好ARM與DSP硬件連接的基礎(chǔ)上，需要通過(guò)正確的初始化和編程才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信,。對(duì)DSP芯片HPI接口進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí),，將HPI接口看作一個(gè)連接到ARM芯片的外部設(shè)備，將完成讀/寫(xiě)操作的程序看成在ARM核Linux系統(tǒng)下面的一個(gè)字符型驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行開(kāi)發(fā),。程序在上位機(jī)開(kāi)發(fā)完畢后,，經(jīng)JTAG口固化到ARM的存儲(chǔ)空間里。S3C2410A與TMS320C6211之間的初始化程序主要由ARM芯片的初始化和HDI接口讀寫(xiě)初始化組成,。
(1)ARM芯片的初始化[1,，4]
ARM處理器先要完成自身工作模式等一系列的初始化，才能正常進(jìn)行HPI接口的讀/寫(xiě),。初始化主要有嵌入式操作系統(tǒng)的移植、GPIO口管腳功能定義,、中斷控制,、代碼啟動(dòng)，還有PLL,、時(shí)鐘,、存儲(chǔ)器系統(tǒng)以及堆棧等初始化， I/O及BANK存儲(chǔ)空間初始化的部分代碼如圖4所示,。
(2)HPI接口讀寫(xiě)初始化[2,，4]
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中HPI口將占用外部I/O接口BANK2的地址，需要對(duì)TMS320C6211的BANK進(jìn)行配置,，同時(shí)對(duì)HPI接口寄存器的地址進(jìn)行宏定義,。由于使用單獨(dú)的地址線來(lái)模擬HPI16接口的HR/W，因此對(duì)同一個(gè)寄存器分別進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí),，看起來(lái)像是對(duì)不同的地址進(jìn)行相應(yīng)的操作,。DSP芯片部分初始化源代碼如圖5所示。
在定義宏后,，ARM通過(guò)HPI驅(qū)動(dòng)程序就可以將DSP中的數(shù)據(jù)通過(guò)HPI口讀出來(lái),，并送到指定的用戶(hù)緩沖區(qū)中，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶(hù)終端,。
3.2 數(shù)據(jù)傳輸流程
由ARM和DSP雙核構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)中,，數(shù)據(jù)傳輸由ARM發(fā)起。ARM單元在啟動(dòng)后,，開(kāi)啟數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程與DSP單元建立通信連接,，周期地查詢(xún)外設(shè)端口是否有DSP數(shù)據(jù)輸入。在接收到DSP數(shù)據(jù)后,，依據(jù)控制單元的程序進(jìn)行分析和處理,，以及依據(jù)需要做出相應(yīng)操作或?qū)?shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)等。
DSP數(shù)據(jù)采集單元在啟動(dòng)后,，通過(guò)所連接的外設(shè)采集監(jiān)控區(qū)域的物理信息,。應(yīng)用移植到DSP核中的程序算法，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分析和處理,。在接收到主設(shè)備控制單元的數(shù)據(jù)傳輸指令后,，將經(jīng)過(guò)分析處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM控制單元。具體的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示,，其中,，ARM控制單元和DSP數(shù)據(jù)處理單元各自并行執(zhí)行相關(guān)操作。
本系統(tǒng)采用了目前先進(jìn)的ARM,、DSP技術(shù),，ARM作為主處理器完成系統(tǒng)管理及網(wǎng)絡(luò)通信，DSP作為協(xié)處理器完成數(shù)據(jù)采集、分析和處理,，整個(gè)系統(tǒng)方案簡(jiǎn)潔高效且具有可重構(gòu)性,。DSP的快速數(shù)據(jù)處理能力和ARM 卓越的控制、通信能力保證了動(dòng)態(tài)信號(hào)采集和分析系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,。由于DSP及ARM均是可編程的系統(tǒng)配置,，運(yùn)算靈活，其性?xún)r(jià)比高,、體積小,、功耗低，嵌入式操作系統(tǒng)支持的軟件豐富,，源代碼開(kāi)放裁剪靈活等特點(diǎn),，使本系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)采集分析對(duì)易操作、網(wǎng)絡(luò)化和低成本等方面的要求,，適用于不同環(huán)境的檢測(cè)和監(jiān)控,。
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