基于DSP多處理器實時開發(fā)環(huán)境的設計

時間：2008-06-13 09:48:00

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[導讀]本文通過研究提出了一種多處理器實時開發(fā)環(huán)境的設計思想，它可以支持多種型號處理器的同時開發(fā)，使系統(tǒng)級開發(fā)變得簡單易行。

摘要：基于DSP的實時開發(fā)環(huán)境一般都是針對單獨處理器進行開發(fā)而設計的，當一個系統(tǒng)中使用了多種類型的DSP芯片時，往往無法同時使用這些開發(fā)環(huán)境，也就無法進行系統(tǒng)級開發(fā)。本文通過研究提出了一種多處理器實時開發(fā)環(huán)境的設計思想，它可以支持多種型號處理器的同時開發(fā)，使系統(tǒng)級開發(fā)變得簡單易行。這種統(tǒng)一的軟件開發(fā)環(huán)境使開發(fā)人員始終面向同一個開發(fā)環(huán)境，易學易用，提高了開發(fā)效率。
關鍵詞：多處理器;實時; Eclipse

1 引言

隨著電子技術的發(fā)展和芯片處理能力的增強，數(shù)字信號處理技術^[1]獲得了空前的發(fā)展。由多處理芯片組成的陣列信號處理系統(tǒng)，使通訊、雷達、聲納進入數(shù)字化飛速發(fā)展的時代。但如何基于多處理芯片的信號處理系統(tǒng)建立實時的軟件開發(fā)環(huán)境一直是個難題。以往的軟件開發(fā)環(huán)境一般都與DSP&CPU芯片緊密結合在一起，每一型DSP&CPU芯片都配備了專用的開發(fā)環(huán)境。這些開發(fā)環(huán)境一般都針對單獨處理器進行開發(fā)，而且相互之間互不兼容，當一個系統(tǒng)中使用了多種類型的DSP&CPU芯片時，往往無法同時使用這些開發(fā)環(huán)境，也就無法進行系統(tǒng)級開發(fā)。對于此，我們開發(fā)了一種系統(tǒng)級的軟件開發(fā)工具，它可以支持多型處理器同時開發(fā)，使系統(tǒng)級開發(fā)變得簡單易行。這種統(tǒng)一的軟件開發(fā)環(huán)境使開發(fā)人員始終面向同一個開發(fā)環(huán)境，易學易用，提高了開發(fā)效率。

多處理器實時開發(fā)環(huán)境建立在以開放的Eclipse平臺^[2,3]為框架的基礎之上，所以其主要的設計思路緊密結合了Eclipse平臺及其插件進行構建及其設計，采用以配置文件為中心的支撐框架，各個功能模塊圍繞配置文件展開設計與實現(xiàn)。也就是說，通過配置文件構建起硬件平臺的描述、數(shù)據(jù)流處理的描述、工程環(huán)境的描述等等，然后各個功能模塊根據(jù)相關的描述進行設計與實現(xiàn)?？梢钥闯觯渲梦募脑O計在多處理器實時開發(fā)環(huán)境中的重要性，對配置文件的改動涉及到功能模塊實現(xiàn)的改動。

2 配置文件說明

配置文件采用XML格式^[4]進行描述。以配置文件為中心的設計思路是軟件標準化的途徑。通過配置文件描述多處理器實時開發(fā)環(huán)境所有可配置的內容，包括目標硬件的描述、工程的描述、開發(fā)環(huán)境的描述等等，然后圍繞配置文件展開軟件的設計與開發(fā)，實現(xiàn)具體的執(zhí)行邏輯。這種軟件設計思路具有很好的目標硬件可擴展、可維護性、可定制性等特點。下面具體說明一下硬件拓撲的配置文件。

在多處理器實時開發(fā)環(huán)境項目建立的過程中，硬件拓撲圖描述文件將被建立起來，作為基于該項目開發(fā)的起點與基礎。硬件拓撲圖文件主要描述了項目中可編程的硬件單元及其互連關系，可編程硬件單元一般包括處理器、存儲器、路由器等。硬件拓撲圖描述文件名定義為HardTopology.xml。下面給出硬件拓撲配置文件的部分信息：

<?xml version="1.0"?> XML文件版本

<Name>Hard Topology</Name> 硬件拓撲圖名稱

<Information/> 硬件拓撲圖描述信息

<Issuer>by ZKHX</Issuer> 發(fā)行者

<Version>1.0</Version> 版本

<Router portnum="" id=""> 路由器（端口數(shù)量、ID

<Portn> 端口n

<Connect type="processor" id=""> 鏈接的硬件單元

<Class/> 硬件單元的類別

<Speed/> 數(shù)據(jù)流通信速度

</Connect>

</Portn>

</Router>

<Processor portnum="" linknum="" id=""> 處理器（端口數(shù)量、ID）

<Portn> 端口n

<Connect type="router" id=""> 鏈接的硬件單元

<Class/> 硬件單元的類別

<Speed/> 數(shù)據(jù)流通信速度

</Connect>

</Portn>

</ Processor>

<Memory portnum="" id=""> 存儲器（端口數(shù)量、ID）

<Portn> 端口n

</Connect>

</Portn>

</ Memory >

</HardTopology>

……

3 系統(tǒng)總體設計

多處理器實時開發(fā)環(huán)境分為三層框架體系結構，目標層為目標程序運行的多型號、多處理器硬件平臺及其軟件結構，通信層為主機開發(fā)環(huán)境與目標機程序通信的結構，主機開發(fā)環(huán)境層為實時開發(fā)環(huán)境的軟件結構。多處理器實時開發(fā)環(huán)境構建在Eclipse框架下，其各個功能模塊以Eclipse插件或者可執(zhí)行工具的形式存在。為了滿足需求中對多型號、多處理器的支持，以及良好擴展性的支持，實時開發(fā)環(huán)境設計為開放式的框架結構。系統(tǒng)總體結構如圖1所示：

圖1系統(tǒng)總體設計圖

對于不同型號、多處理器硬件平臺運行的目標程序可能不同，實時操作系統(tǒng)、處理器算法程序應一一對應于不同型號、多處理器硬件平臺。通信層負責主機開發(fā)環(huán)境與目標機程序之間的通信，對于不同型號、多處理器平臺提供不同的主機－目標機驅動程序，并在驅動程序之上封裝一層主機－目標機通信抽象層，達到主機與目標機通信協(xié)議的統(tǒng)一，這樣建立在通信抽象層的主機開發(fā)環(huán)境不針對于某型號多處理器硬件平臺，具有良好的適用性。同時在通信層提供遠程調試模塊，支持多處理器程序的遠程開發(fā)與調試。主機開發(fā)環(huán)境為開發(fā)人員提供基于Eclipse框架下統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)人員在多處理器拓撲圖及其源代碼框架上進行開發(fā)，而無需過多關心多型號、多處理器硬件平臺及其配置。

4 以代碼建模為中心的開發(fā)模式

根據(jù)硬件平臺的配置文件，實時開發(fā)環(huán)境可以構建出多處理器拓撲圖，開發(fā)人員可以在多處理器拓撲圖上進行開發(fā)，可以完成開發(fā)階段的如下工作：

1．定義數(shù)據(jù)流處理的鏈路，既數(shù)據(jù)流在多處理器之間的流動方向及其流入、流出尺寸規(guī)格，同時定義用于數(shù)據(jù)流的內存分配，對于流入或者流出的數(shù)據(jù)可以定義單緩存或者雙緩存方案。對于周期處理算法，還可以定義每個處理器節(jié)點的處理周期。

2．定義處理器節(jié)點的任務，既處理器可以調度的執(zhí)行單元，可以定義任務的名稱及其參數(shù)、任務堆棧的大小、任務執(zhí)行的優(yōu)先級等。

3．定義處理器節(jié)點的資源，如信號量、郵箱等。

4．定義任務或者處理算法的內存分配，既處理器節(jié)點變量的定義。在內存定義分配時，實時開發(fā)環(huán)境可以根據(jù)硬件配置文件實時判斷內存分配的可行與否，給出提示信息。

5．定義目標程序（處理器節(jié)點的任務）調試的方案，在目標代碼中生成調試程序。

在多處理器拓撲圖上完成開發(fā)階段的工作后，即可自動生成代碼框架，然后開發(fā)人員在生成的代碼框架上繼續(xù)開發(fā)。在代碼框架自動生成的環(huán)境中，事先定義好代碼框架生成的模板，同時開放代碼框架模板并給出說明，這樣開發(fā)人員可以自行定義不同類型多處理器硬件平臺、及其操作系統(tǒng)的代碼框架模板。代碼框架模板的內容主要包括：支持的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流通信的代碼、郵箱代碼、信號量代碼、中斷代碼、調試程序代碼等。

以代碼建模為中心的開發(fā)模式分順序開發(fā)流程和增量開發(fā)流程，如下圖2和圖3所示：

圖2 順序開發(fā)流程

圖3 增量開發(fā)流程

在多處理器程序調試階段，除了傳統(tǒng)的調試視圖，還可以增加多處理器拓撲圖的調試視圖。可以通過多處理器拓撲圖的調試視圖觀察多處理器程序執(zhí)行的情況，包括數(shù)據(jù)流通信情況、處理器節(jié)點任務的執(zhí)行時間、內存使用情況等。

在目標機硬件診斷階段，也可以通過多處理器拓撲圖動態(tài)顯示硬件的診斷結果，既直觀又容易定位。

可以看出，在多處理器程序開發(fā)的主要步驟都可以圍繞多處理器拓撲圖進行，同時多處理器拓撲圖也是很好的目標程序說明文檔。這種開發(fā)模式稱為以代碼建模為中心的開發(fā)模式^[5]。

5 結論

本文作者創(chuàng)新點：本文設計的多處理器實時開發(fā)環(huán)境是一款開放式、基于標準的多處理器實時開發(fā)環(huán)境。在通用環(huán)境下，使得多處理器軟件開發(fā)的各個階段更趨標準化，它不僅能夠顯著提高開發(fā)人員、項目團隊的工作效率，而且能夠帶來性能、集成以及實用型的獨特組合，適合于多型號、多處理器目標系統(tǒng)的開發(fā)，包括了軟、硬件系統(tǒng)仿真功能，工程管理和系統(tǒng)構建，版本管理，編輯器，命令解釋器，調試工具，系統(tǒng)分析工具，系統(tǒng)觀察工具等功能模塊。這種統(tǒng)一的軟件開發(fā)環(huán)境使在基于多處理器目標機的系統(tǒng)級開發(fā)變得簡單易行。

致謝: 該文得到了湖北省科技攻關計劃項目基金(編號:2004AA210B01)的支持,在此特予致謝。本文的研究是做為該項目的一個子課題來進行的，其中第一作者參與了該項目的具體開發(fā)。