ARM/DSP双核系统的通信接口设计
引言 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。早期的嵌入式系统硬件核心是各种类型的8位和16位单片机;而近年来32位处理器以其高性能、低价格，得到了广泛的应用。近年来，又出现了另一类数据密集处理型芯片DSP。DSP由于其特殊的结构、专门的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地实现各种数字信号处理及满足各种高实时性要求。随着现代嵌入式系统的复杂度越来越高，操作系统已成为嵌入式系统不可缺少的部分。免费的嵌入式操作系统，如Linux等，随着自身不断的改善，得到了飞速的发展。Linux是一个免费的、强大的、可信赖的、具有可伸缩性与扩充性的操作系统。Linux实现了许多现代化操作系统的理论，并且支持完整的硬件驱动程序、网络通信协议与多处理器的架构，其源码的公开更有利于操作系统嵌入式应用。 基于上述分析，开发了基于ARM和DSP芯片的双核嵌入式系统。系统充分利用了ARM和DSP的各自特点，既可以使用ARM和DSP芯片进行协同开发，也可以利用ARM或DSP进行独立开发。
1 系统的总体设计 由于ARM芯片的控制性能较强，在嵌入式系统中ARM主要用于控制和少量的数据处理。这样，一方面要求CPU要低功耗和有足够的时钟频率来运行操作系统，以满足便携式的要求;另一方面也要求其有足够种类的接口，以利于性能的扩展。基于以上考虑，在开发平台中选用HY7202作为CPU。 DSP作为数据运算部分，可以充分发挥其对数字信号处理的独特优势。TI公司的C54xx系列16位定点DSP以其高性价比普遍应用于各类通信、便携式应用当中。考虑到对数字视频和数字图像等大数据吞吐量应用场合的处理要求，选用TI公司的TMS320C5416芯片。其时钟频率最高可达到206 MHz，系统总体框图如图1所示。
图1 系统整体硬件结构框图 系统软件平台结构如图2所示，软件平台分ARM部分和DSP部分，以及ARM和DSP的接口软件设计部分。ARM部分以PATCH的ARM Linux Version 2.4.18为操作系统，并在此基础之上移植Linux标准库GLIBC、LIBJPG、LIBPNG、IMLIB、LIBWWW、LIBFLASH及汉字库。图形界面以Microwindows 0.9及其控件库FLNX提供嵌入式图形界面平台。系统平台具有强大的网络通信功能，通过平台WEBSERVER、FTP、TELNET、INETD等网络工具和应用程序能方便地开发基于Internet的网络终端、远程控制、远程数据采集、远程数据处理产品。在应用程序层上，系统平台集成窗口管理程序，全中文化网络浏览器（支持HTML、XML），Flash播放器（支持Flash4、Flash5、Flash6），文本编辑器，游戏等用于PDA开发，机顶盒上网解决方案，以及可用于嵌入式数据采集、处理的虚拟示波器等。 图2 系统软件的总体结构 DSP部分通过提供完整的HPI驱动程序（DSP部分）及通信协议，通过增加相应数据处理程控制算法程序，利用HPI并行接口与主机ARM通信进行数据交换，可用于各种实时处理，控制领域。 此外，DSP和ARM可以各自作为独立的系统使用，它们均有完整的子系统软件。子系统之间联系的核心是DSP器件本身带有的HPI接口。
2 ARM和DSP的通信接口设计 （1） DSP的HPI口介绍 HPI是TMS320C54X等芯片提供的一种并行端口，专门用于DSP和外部主机并行通信。HPI接口有标准HPI接口和增强型HPI接口。对于C5416和C5420DSP器件，它们的主机接口为增强型主机接口。标准HPI接口是一个8位总线接口，通过2个8位字节组合在一起形成1个16字。增强型HPI接口分8位和16位两种。8位增强型主机接口和标准HPI接口操作时序一样，主要区别在于标准型只能访问2 KB专用RAM，而增强型可以访问DSP的整个RAM区。16位增强型HPI接口采用16位总线，只要一个主机操作就能完成访问操作。 （2） HPI硬件连线 HMS30C7202与TMS320C5416接口电路如图3所示。系统将HPI接口所有控制寄存器、地址寄存器、数据寄存器统一编址，映射到HMS30C7202物理地址0X0C000000开始的I/O内存空间。
图3 DSP和主机双向通信 利用地址线RA［3:0］产生HPI访问所需的控制信号。A0与A1决定访问寄存器类型。A2决定访问的是第一个字节还是第二个字节：A2＝0时，表示写入的数据为第一个字节;A2＝1时，表示写入的数据为第二个字节。在HPI－8中所有地址线和控制线是在HDS1和HDS2的下降沿采样，而不是由HR/W决定，因此HR/W通过地址线A3表示当前操作是读还是写，而数据锁存信号由nRCS3和nRW0相与后共同产生。KSCAN设置为HMS30C7202的PORTA中断输入脚，DSP通过中断方式与Linux底层HPI驱动程序通信。
3 ARM和DSP的通信接口驱动程序设计 Linux是Unix操作系统的一种变种。在Linux下编写驱动程序的原理和思想完全类似于其他的Unix系统，但它和DOS或Window环境下的驱动程序有很大的区别。Linux驱动程序可以编译进内核，也可以模块形式动态地加入和卸载。Linux的这种特点可根据目标系统裁减内核，更适合于嵌入式系统。 （1） Linux驱动程序基本原理 在Linux中所有设备分为字符设备、块设备和网络设备三种，所有设备都看成普通文件，因此可以通过用操纵普通文件相同的系统调用来打开、关闭、读取和写入设备。系统中每个设备都用一种设备特殊文件来表示。 在Linux中，设备驱动程序是一组相关函数的集合。它包含设备服务子程序和中断处理程序，每个设备服务子程序只处理一种设备或者紧密相关的设备。其目的就是从与设备无关的软件中接受抽象的命令并执行。当执行一条请求时，具体操作是根据控制器驱动程序提供的接口，并利用中断机制去调用中断服务子程序配合设备来完成这个请求。设备程序利用结构file_operations与文件系统联系起来。在Linux下驱动程序装载如图4所示。 图4 模块连接到内核示意 （2） HPI驱动程序 HPI接口可用I/O端口方式，也可以用I/O存取方式。系统平台采用I/O存取方式，将HPI访问控制寄存器、数据寄存器、地址寄存器，映射到内存物理地址为0X0C000000开始的空间，通过访问存储器指令对HPI进行操作。HPI具体物理地址定义如下： #defineHPI_BASE0X0C000000 //HPI基地址 #define HPD_READ_LOWHPI_BASE+0X0012 //读数据寄存器第一字节 … #define HPA_WRITE_HIGHHPI_BASE+0X000C //写地址寄存器第二字节 在Linux下，类似Windows，程序不能直接访问物理地址。设备驱动程序是内核的一部分，它像内核中其他代码一样运行在内核模式，驱动程序如果出错就会使系统受到严重破坏，因此需要将物理地址映射到内核空间。在Linux下通过virtul_address=（u32）ioremap（HPI_BASE，HPI_LENGTH）实现。驱动程序主要结构如下： struct file_operations hpi_fops={ owner:THIS_MODULE， read： hpi_read， write： hpi_write， poll ： hpi_poll， open： hpi_open， release： hpi_release， }; HPI通信协议采用帧结构，由于增强型HPI接口允许访问DSP内部RAM所有空间，系统通信在DSP内部分配2 K字（16位）作为帧缓冲区，读写各1 K字，协议采用一位滑动窗口协议。帧格式如表1所列。 表1 帧格式协议
结语 本文介绍了使用ARM和DSP双CPU构成的双核嵌入式系统的硬件平台，以及源代码开放的Linux作为嵌入式系统中操作系统的方法，给出了系统设计的总体框图，详细介绍了ARM和DSP通信接口的设计。这一设计方法可以适用于大多数现代嵌入式系统的设计，有一定的实用价值。
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