基于DSP/BIOS的多信號(hào)并行處理軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展，DSP技術(shù)在航空、通信、醫(yī)療和消費(fèi)類電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。伴隨主頻不斷提升及多核并行工作，DSP芯片的運(yùn)算能力快速增強(qiáng)。運(yùn)用DSP芯片快速設(shè)計(jì)多類信號(hào)多路并行處理的軟件，變得更加重要。為滿足需求，文中提出一種基于DSP／BIOS的軟件架構(gòu)，可提高軟件的可維護(hù)性和可重用性，方便算法的裁減添加及程序的跨平臺(tái)移植，實(shí)現(xiàn)多類信號(hào)多路并行處理的軟件快速開發(fā)設(shè)計(jì)。

1 DSP／BIOS簡(jiǎn)介

DSP／BIOS是TI公司推出的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，集成在CCS(Code Composer Studio)開發(fā)環(huán)境中。DSP／BIOS采用靜態(tài)配置策略，通過去除運(yùn)行代碼能使目標(biāo)程序存儲(chǔ)空間最小化，優(yōu)化內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在程序執(zhí)行前夠通過確認(rèn)對(duì)象所有權(quán)較早地檢測(cè)出錯(cuò)誤，可滿足DSP運(yùn)行時(shí)的調(diào)試和性能分析，應(yīng)用DSP／BIOS可以快速編寫高效程序，較大的簡(jiǎn)化DSP應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試。DSP／BIOS是一組可重復(fù)調(diào)用的系統(tǒng)模塊應(yīng)用程序接口API集合，分為系統(tǒng)模塊System、協(xié)助模塊Instrumentation、調(diào)度模塊Scheduling、同步模塊Synchronization、通信模塊Input／Out put和配置模塊CSL。系統(tǒng)模塊，主要完成芯片型號(hào)確認(rèn)、字節(jié)序Endian Mode配置、主頻配置、芯片Cashe空間劃分及內(nèi)存空間分配。協(xié)助模塊Instrumentation，主要負(fù)責(zé)消息打印、事件日志及信息追蹤工作。調(diào)度模塊，為DSP／BIOS核心功能，可細(xì)化為定時(shí)管理CLK、周期中斷管理PRD、硬中斷管理HWI、軟中斷管理SWI、任務(wù)管理TSK和空閑任務(wù)管理IDL。CLK控制片內(nèi)的32位實(shí)時(shí)邏輯時(shí)鐘，負(fù)責(zé)PRD周期的設(shè)置。PRD管理周期對(duì)象，觸發(fā)應(yīng)用程序周期執(zhí)行性，為一種特殊的SWI。HWI管理硬件中斷，主要負(fù)責(zé)DSP與外設(shè)的數(shù)據(jù)交互，中斷服務(wù)程序應(yīng)盡量短小精焊。SWI是不可阻塞搶斷式，SWI任務(wù)只能在程序編制時(shí)預(yù)先定義好。TSK是可阻塞搶斷式的，支持任務(wù)的動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。IDL管理休眠函數(shù)，休眠函數(shù)在目標(biāo)系統(tǒng)程序無更高優(yōu)先權(quán)的函數(shù)運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)，是一種特殊的TSK。同步模塊，負(fù)責(zé)各個(gè)調(diào)度模塊之間信息的交換傳遞，保證調(diào)度模塊之間的同步和互斥。通信模塊，允許應(yīng)用程序在目標(biāo)系統(tǒng)和主機(jī)之間交流數(shù)據(jù)。配置模塊，負(fù)責(zé)芯片底層硬件的配置。另外DSP／BIOS還帶有插件，支持實(shí)時(shí)分析、程序跟蹤和性能監(jiān)視。

2 DSP軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)思想，共分5層：驅(qū)動(dòng)層、系統(tǒng)層、算法層、控制層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層完成芯片硬件接口及外圍芯片驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)層運(yùn)行DSP／BIOS操作系統(tǒng)，完成硬件中斷、周期控制和任務(wù)調(diào)度功能。算法層提供各類業(yè)務(wù)需求的算法API?？刂茖迂?fù)責(zé)軟件的指令解析、內(nèi)存管理、中斷服務(wù)和交換控制。應(yīng)用層為CPU調(diào)用控制DSP提供指令交互和數(shù)據(jù)交互接口。


3 子層設(shè)計(jì)

3．1 驅(qū)動(dòng)層

使用DSP／BIOS圖形化的界面，調(diào)用芯片支持庫模塊CSL，快速設(shè)置DSP底層硬件接口，完成芯片的MCBSP驅(qū)動(dòng)、EMIF驅(qū)動(dòng)和EDMA驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。對(duì)于外圍芯片的驅(qū)動(dòng)，如A／D芯片驅(qū)動(dòng)，首先硬件上完成DSP芯片與A／D芯片的接線，然后按照配置指令的幀格式完成對(duì)A／D芯片的配置。

3．2 系統(tǒng)層
系統(tǒng)層設(shè)計(jì)為軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，充分利用DSP／BIOS提供的調(diào)度模塊和同步模塊。將控制層中的指令解析、交換控制和交換表更新模塊與PRD綁定，周期檢查有無新指令，并根據(jù)指令解析更新交換表，調(diào)度周期由32位實(shí)時(shí)邏輯時(shí)鐘控制。將控制層中的交換控制和數(shù)據(jù)交換模塊與TSK綁定，根據(jù)從其他模塊收到的信號(hào)量SEM或者郵箱信息MBX，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，完成不同格式的數(shù)據(jù)在不同信道間的透明傳輸。將中斷服務(wù)與HWI進(jìn)行綁定，完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收發(fā)。運(yùn)用同步模塊Synchronization中的郵箱機(jī)制MBX與信號(hào)量SEM機(jī)制完成HWI、PRD和TSK之間的消息傳遞。運(yùn)用操作系統(tǒng)的調(diào)度算法，完成多個(gè)任務(wù)之間的調(diào)度，控制數(shù)據(jù)收發(fā)及數(shù)據(jù)處理。

3．3 算法層

把各類算法單獨(dú)列為一層，匯聚多類信號(hào)算法，采用松散耦合和可重入設(shè)計(jì)方法，方便算法的移植、維護(hù)及多路并行工作設(shè)計(jì)，并根據(jù)應(yīng)用需求，方便算法的裁減和擴(kuò)充。各類算法嚴(yán)格獨(dú)立，都以單獨(dú)庫和頭文件的形式提供。算法層的結(jié)構(gòu)如圖2所示。


3．4 通信常用算法

DTMF：雙音多頻信號(hào)，每個(gè)號(hào)碼由兩個(gè)音頻信號(hào)相加得到，廣泛用在電話撥號(hào)和來電顯示中，其生成和檢測(cè)算法。

FSK：利用1 200 Hz和2 200 Hz的正弦信號(hào)，采用2FSK調(diào)制解調(diào)方法，廣泛用于來電顯示中，其生成和檢測(cè)算法。

TONE：三音生成和檢測(cè)算法，包含信號(hào)音、忙音、回鈴音生成和三音檢測(cè)，廣泛用于電話交換系統(tǒng)中。
G．711：速率為64 khit·s-1的語音編解碼標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于電話交換系統(tǒng)中。

CVSD：連續(xù)可變斜率編碼的英文縮寫，速率為16 khit·s-1的語音編解碼標(biāo)準(zhǔn)，用于低速率通信系統(tǒng)中，其編解碼算法。

3．5 控制層

控制層設(shè)計(jì)為軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，在應(yīng)用層與系統(tǒng)層、算法層之間起到橋梁作用。由指令解析、內(nèi)存管理、中斷服務(wù)和交換控制4個(gè)模塊組成。指令解析由操作系統(tǒng)PRD調(diào)用，周期性的判斷是否具有新的指令到來，如有新指令到來，首先把新的指令放入到指令FIFO存儲(chǔ)器，然后清空指令空間，避免下次調(diào)用指令解析函數(shù)時(shí)做出誤判斷，最后指令解析模塊會(huì)對(duì)指令FIFO中的內(nèi)容進(jìn)行解析，根據(jù)解析結(jié)果更新交換控制模塊中的交換表。內(nèi)存管理為每個(gè)業(yè)務(wù)通道分配了發(fā)送緩存區(qū)Tx Buffer和接收緩存區(qū)Rx Buffer，并為每個(gè)Tx Butter和Rx Buff er配備了管理指針，用于指示Buffer中的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置及空閑位置，并由此計(jì)算出每個(gè)Buffer的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)及空閑空間大小，完成對(duì)異常操作如寫操作過程中產(chǎn)生的Buffer溢出或讀操作過程產(chǎn)生的Buffer空的處理。在產(chǎn)生硬件中斷時(shí)，中斷服務(wù)由BIOS系統(tǒng)HWI調(diào)用，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收發(fā)。中斷服務(wù)需要保證實(shí)時(shí)性，不作過多控制和計(jì)算，盡可能減少執(zhí)行指令數(shù)目，以及使用短周期指令，必要情況下使用CCS提供的已經(jīng)優(yōu)化的Intrinsics函數(shù)進(jìn)行程序的優(yōu)化或運(yùn)用匯編指令編寫。HWI不可阻塞，在中斷服務(wù)中，不可調(diào)用具有可能引起阻塞的函數(shù)。與系統(tǒng)中其他任務(wù)之間的信息交換可以通過協(xié)助模塊中的郵箱機(jī)制MBX或信號(hào)燈機(jī)制SEM進(jìn)行交互。交換控制模塊實(shí)現(xiàn)不同通道數(shù)據(jù)之間的交換，并伴隨不同數(shù)據(jù)格式相互轉(zhuǎn)換。交換控制包含交換表管理和數(shù)據(jù)交換，具備多種的交換能力。交換表管理具有交換表?xiàng)l目刪除和增加的功能。數(shù)據(jù)交換模塊根據(jù)交換表完成源通道數(shù)據(jù)到目的通道數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放置到目的通道的發(fā)送緩存中，等待數(shù)據(jù)發(fā)送，具有多路并行工作能力?？刂茖觾?nèi)部模塊之間的數(shù)據(jù)交互如圖3所示。


3．6 應(yīng)用層

應(yīng)用層設(shè)計(jì)采用內(nèi)存共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)DSP與CPU的指令交互和數(shù)據(jù)交互。為確保每次讀寫數(shù)據(jù)的完整性和正確性，兩塊處理器間需要建立有效的通信機(jī)制，保證不會(huì)同時(shí)對(duì)同一地址進(jìn)行操作。指令交互負(fù)責(zé)接收CPU指令并向CPU返回結(jié)果。指令解析模塊周期性讀取指令，并進(jìn)行解析，控制DSP每個(gè)業(yè)務(wù)通道的操作，如果是DTMF檢測(cè)、FSK檢測(cè)或TONE檢測(cè)指令，DSP將解析出的結(jié)果反饋給CPU。如果是DTMF產(chǎn)生、FSK產(chǎn)生或TONE產(chǎn)生指令，DSP將向指定業(yè)務(wù)通道發(fā)送號(hào)碼對(duì)應(yīng)的DTMF信號(hào)、FSK信號(hào)或撥號(hào)音、忙音、回鈴音或催掛音等；如果是兩信道語音格式轉(zhuǎn)換指令，DSP將從源信道接收數(shù)據(jù)，完成轉(zhuǎn)換格式后，發(fā)往目的通道。數(shù)據(jù)交互，DSP與CPU通過共享內(nèi)存還可進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)狀態(tài)將由內(nèi)存管理模塊進(jìn)行控制。

4 結(jié)束語

文中介紹的軟件架構(gòu)，已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證，在TMS320VC5416可同時(shí)完成32路多種信號(hào)處理DTMF、FSK、TONE、CVSD、G．711任意配置，在TMS320C6418可同時(shí)完成128路多信號(hào)處理DTMF、FSK、TONE、CVSD、G．711任意配置，并可加入多路G．729處理。該軟件架構(gòu)能夠保證不同算法的單獨(dú)開發(fā)和重復(fù)利用，在跨平臺(tái)移植時(shí)，根據(jù)硬件接口不同，僅需對(duì)驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行重新配置，其余層的代碼可直接移植，加速了多信號(hào)并行處理軟件開發(fā)設(shè)計(jì)。