利用匯聚式處理器Blackfin和uClinux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)碼相框的設(shè)計(jì)

本文介紹了匯聚式處理器Blackfin的基本功能，給出了以Blackfin為嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)，并采用uClinux操作系統(tǒng)和其中集成的大量硬件驅(qū)動(dòng)程序來(lái)設(shè)計(jì)具有互聯(lián)網(wǎng)WiFi無(wú)線連接、電子郵件發(fā)送、RSS新聞閱讀、即時(shí)照片分享、全觸摸操作等功能的嵌入式數(shù)碼相框的設(shè)計(jì)方案。

當(dāng)今的嵌入式應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，無(wú)論是消費(fèi)電子、通信終端，還是系統(tǒng)設(shè)備、工業(yè)控制、汽車電子系統(tǒng)或航空航天，都無(wú)處不見(jiàn)嵌入式應(yīng)用的身影?，F(xiàn)在，全球每年生產(chǎn)數(shù)十億顆微處理器，其中大部分都被廣泛應(yīng)用于各類嵌入式系統(tǒng)。

目前，在嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)方面，各種微控制器以及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）產(chǎn)品，無(wú)論從品牌、功能特性方面，還是針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的成本、處理能力、功耗要求、集成度、開(kāi)發(fā)周期、技術(shù)難度等具體要求，都可以精心選擇出最具綜合優(yōu)勢(shì)的硬件核心平臺(tái)。而在嵌入式操作系統(tǒng)方面，無(wú)論是開(kāi)放源代碼的Linux陣營(yíng)的各種商業(yè)版本或免費(fèi)版本，還是WinCE、vxWorks等“重量級(jí)”平臺(tái)，抑或針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化的Windows Mobile、Symbian、Android等，也同樣可以方便地選擇一款最佳的操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)。

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)軟硬件聯(lián)合協(xié)同開(kāi)發(fā)的過(guò)程。在進(jìn)行軟硬件平臺(tái)選擇評(píng)估時(shí)，單純地離開(kāi)硬件去評(píng)估操作系統(tǒng)或離開(kāi)操作系統(tǒng)評(píng)估硬件平臺(tái)都有失偏頗，特別是對(duì)于很多非通用處理器來(lái)說(shuō)尤其如此。當(dāng)前很多嵌入式硬件平臺(tái)都提供有針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用優(yōu)化的操作系統(tǒng)及軟件模塊資源，一些商業(yè)化的操作系統(tǒng)也針對(duì)主流的硬件平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且提供了眾多的第三方優(yōu)化操作系統(tǒng)版本。這些資源對(duì)于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有重要的意義。為此，本文介紹了一種獨(dú)特的嵌入式平臺(tái)核心處理器，即匯聚式處理器Blackfin及其主流配套操作系統(tǒng)和相關(guān)資源的應(yīng)用與設(shè)計(jì)方法，給出了用其設(shè)計(jì)嵌入式數(shù)碼相框的設(shè)計(jì)方案。

1 硬件處理器Blackfin的選擇

本設(shè)計(jì)選用匯聚式處理器Blackfin來(lái)構(gòu)建獨(dú)特的嵌入式硬件平臺(tái)。匯聚式處理器Blackfin是由ADI和Intel公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)（MSA），它集32位RISC型指令集、雙16位乘法累加（MAC）信號(hào)處理功能和通用型微控制器所具有的易用性于一體，這種匯聚式處理能力的組合使得Blackfin處理器能夠在旗號(hào)處理和控制應(yīng)用中均發(fā)揮極佳的作用，并可在許多應(yīng)用中免除增設(shè)單獨(dú)的異構(gòu)處理器的必要，因而極大地簡(jiǎn)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)。Blackfin處理器非常適合于以會(huì)聚為關(guān)鍵技術(shù)的嵌入式音頻、視頻、通信應(yīng)用，包括多格式音頻、視頻、語(yǔ)言和圖像處理，多模式基帶和分組處理，控制處理和實(shí)時(shí)安全性處理等。正是這種獨(dú)特的系統(tǒng)架構(gòu)所具有的設(shè)計(jì)靈活性和可擴(kuò)展性為Blackfin處理器贏得了廣泛的適應(yīng)性，也使其廣泛應(yīng)用于數(shù)字家庭娛樂(lè)、網(wǎng)絡(luò)和流媒體、汽車遠(yuǎn)程信息處理和信息娛樂(lè)、數(shù)字無(wú)線電，以及移動(dòng)電視終端。

Blackfin處理器在單內(nèi)核產(chǎn)品中可提供高達(dá)756MHz的性能，以及低至0.8V的低功耗電壓。所有的Blackfin處理器均具有多個(gè)獨(dú)立的DMA控制器，這些控制器可支持自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，而且其所需的處理器內(nèi)核開(kāi)銷極少。此外，Blackfin處理器還具有豐富的存儲(chǔ)器配置，可以極大地方便嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。其中ADSP-BF51x系列處理器就同時(shí)具有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(chǔ)（FRAM）、SDRAM，同時(shí)還提供有支持Lockbox安全技術(shù)的一次性可編程存儲(chǔ)器。

Blackfin處理器架構(gòu)完全符合SIMD標(biāo)準(zhǔn)，并帶有用于加速視頻和圖像處理的指令。該架構(gòu)很適合于全信號(hào)處理/分析應(yīng)用。由于Blackfin處理器具有最佳的代碼密度且只需進(jìn)行極少（或者完全不需要進(jìn)行）代碼優(yōu)化處理，因而不會(huì)遇到其他傳統(tǒng)處理器所常見(jiàn)的性能空間障礙。

2 uCLinux操作系統(tǒng)的選擇

嵌入式操作系統(tǒng)的選擇對(duì)于正在從事新的嵌入式開(kāi)發(fā)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，它與選擇嵌入式硬件微處理器同樣重要。對(duì)于Blackfin處理器來(lái)說(shuō)，除了處理器本身的獨(dú)特性能特性優(yōu)勢(shì)外，強(qiáng)大的嵌入式操作系統(tǒng)資源也是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)健因素。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等操作系統(tǒng)，這一特性可避免將操作系統(tǒng)從其它處理器平臺(tái)移植到Blackfin平臺(tái)時(shí)，因更改操作系統(tǒng)而延長(zhǎng)的終端產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。各種操作系統(tǒng)各自都具有不同的特性功能以及不同的價(jià)格、版權(quán)費(fèi)用等條款。從特性上看，嵌入式操作系統(tǒng)有代碼緊湊、復(fù)雜度低的操作系統(tǒng)VDK，也有復(fù)雜而具有豐富特性的操作系統(tǒng)uClinux，同時(shí)具有可靠性極高的INteGRI TY，以及專注于汽車市場(chǎng)需求的RTA-OSEK等。通過(guò)對(duì)各種操作系統(tǒng)的功能分析，本設(shè)計(jì)最終選擇了uCLinux操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行數(shù)碼相框的設(shè)計(jì)。圖1所示是其操作系統(tǒng)在Blackfin上的組織結(jié)構(gòu)。

圖3 簡(jiǎn)單的數(shù)碼像框的硬件結(jié)構(gòu)圖

由于Blackfin處理器BF52x，自身就帶有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(chǔ)（FRAM）、SDRAM等存儲(chǔ)器，因此，在需要進(jìn)一步外擴(kuò)存儲(chǔ)器時(shí)，完全可以利用其自身固有的應(yīng)用程序，另外，如果希望使該數(shù)碼像框同時(shí)帶有音頻功能，也可以很容易的將NI公司LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流開(kāi)發(fā)環(huán)境擴(kuò)展到高性能、低功耗的Blackfin處理器，再通過(guò)音頻和視頻DAC、ADC以及編解碼器等集成I/O，將存儲(chǔ)單元中的圖像文件中的音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后通過(guò)音頻系統(tǒng)還原成聲音輸出。至于USB接口和圖片數(shù)據(jù)文件的輸出顯示，無(wú)論是硬件還是軟件驅(qū)動(dòng)程序，目前都十分成熟而且簡(jiǎn)單。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ADI公司的匯聚式處理器Blackfin作為嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并采用uClinux為操作系統(tǒng)，同時(shí)采用ADI針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用在uClinux操作系統(tǒng)中集成的大量硬件驅(qū)動(dòng)（包括WiFi驅(qū)動(dòng)、音/視頻編解碼器的驅(qū)動(dòng)等）程序，給出了一種具有互聯(lián)網(wǎng)WiFi無(wú)線連接、電子部件發(fā)送、RSS新聞閱讀、即時(shí)照片分享、全觸摸操作等功能的嵌入式電子數(shù)碼相框的設(shè)計(jì)方案。事實(shí)上，由于本系統(tǒng)缺少存儲(chǔ)器管理單元（MMU），內(nèi)存管理仍是嵌入式處理器需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題之一，這樣，在BF52x平臺(tái)上移植Linux應(yīng)用就仍然必須修改由于內(nèi)存管理模式不同而帶來(lái)的問(wèn)題，而且工作量較大。這一點(diǎn)仍然是今后需要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。