基于VxWorks的多DSP系統(tǒng)多任務(wù)程序設(shè)計(jì)方案解析

摘要：多DSP信號(hào)處理板廣泛地運(yùn)用于工業(yè)、軍事、通信和醫(yī)療等許多方面。本文介紹一種基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的ADSP21160的多DSP板設(shè)計(jì)，以及該板在數(shù)字式聲納的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用，并介紹在VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下的軟件算法仿真和實(shí)現(xiàn)。
　　關(guān)鍵詞：多DSP陣列　聲納系統(tǒng)　VxWorks
　　近年來，計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展表現(xiàn)得尤為明顯。DSP芯片制造商和DSP板開發(fā)商利用自身的優(yōu)勢(shì)不斷開發(fā)出多DSP結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品來滿足這種需求。通常的DSP設(shè)備是與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，來實(shí)時(shí)地完成某一特定任務(wù)。隨著信號(hào)采集速度和處理速度的要求越來越高，許多領(lǐng)域都需要進(jìn)行多處理器運(yùn)算，其中包括醫(yī)學(xué)、圖像處理、軍事、工業(yè)控制、電信等許多領(lǐng)域。多處理器系統(tǒng)可以根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)的功能和處理器的性能來調(diào)節(jié)處理結(jié)點(diǎn)的數(shù)目，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的性能價(jià)格比。
　　實(shí)際上，只有從芯片開始仔細(xì)設(shè)計(jì)，才能方便地實(shí)現(xiàn)多處理器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能。這里選用的是AD公司新出品的SHARC級(jí)處理器ADSP21160。
　　ADSP21160具有很大的片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)、多重內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)、獨(dú)立的I/O子系統(tǒng)；具有構(gòu)造多處理器系統(tǒng)的所有特點(diǎn)，能夠真正支持處理器數(shù)目的可調(diào)節(jié)功能，十分適合組成高性能浮點(diǎn)的多DSP系統(tǒng)。
　　VxWorks是目前世界上用戶數(shù)量最大的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這使它除了具有優(yōu)越的技術(shù)性能之外，還具有豐富的應(yīng)用軟件支持、良好的技術(shù)服務(wù)和可靠的系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于它具有以上優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)中選用了VxWorks作為MVME167的操作系統(tǒng)。
　　一、ADSP21160的特點(diǎn)
　　ADSP21160 是AD公司采用超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)的一種新產(chǎn)品。21160的匯編代碼與2106x兼容，處理器具有SIMD（單指令流多數(shù)據(jù)流）功能；而2106x只具有SISD（單指令流單數(shù)據(jù)流）功能。為了充分利用這種新的功能，一些指令做了一些改變。ADSP21160包括1個(gè)100/150MHz的運(yùn)算核、雙端片內(nèi)SRAM、1個(gè)支持多處理器的集成在片內(nèi)的I/O處理器和多重內(nèi)部總線以消除I/O瓶頸。
　　
　　ADSP21160的匯編源代碼與2106x兼容。SIMD計(jì)算結(jié)構(gòu)：2個(gè)32bit的計(jì)算單元，其中每一個(gè)單元包括乘法器、ALU、移位寄存器及寄存器文件。具有完備的與外圍設(shè)備接口功能。包括獨(dú)立的I/O處理器、4Mbit 的片內(nèi)雙端SRAM、可直接連接的多處理器特性及端口（串口、連接口、外總線及JTAG）。
　　ADSP21160包括2個(gè)運(yùn)算處理單元，具有SIMD功能。處理單元指的是PEX和PEY。PEX始終是有效的，而PEY的有效是通過設(shè)置MODE1寄存器中的PEYEN位來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)PEY模式有效時(shí)，同一條指令在2個(gè)處理器單元中都得到執(zhí)行，但每一個(gè)處理器單元中的操作數(shù)不同。
　　SIMD模式在存儲(chǔ)區(qū)和處理器單元之間的數(shù)據(jù)傳輸也是很有作用的。當(dāng)使用SIMD模式，通過加倍數(shù)據(jù)帶寬來保證處理器單元的操作。在SIMD模式，當(dāng)使用DAGs來傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)區(qū)每次訪問所傳輸?shù)氖莾蓚€(gè)數(shù)據(jù)值。
　　ADSP21160包括4Mbit的片內(nèi)SRAM，分為兩塊，每一塊2Mbit?？梢远x為不同字長(zhǎng)的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。每一個(gè)存儲(chǔ)塊的雙端口結(jié)構(gòu)可以使存儲(chǔ)塊獨(dú)立地被運(yùn)算核處理和I/O處理器訪問。21160的存儲(chǔ)區(qū)最大可以容納128K的32bit數(shù)據(jù)，或256K的16bit數(shù)據(jù)，或85K的48bit指令，或其他混合字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，但總和最大為4Mbit。所有存儲(chǔ)區(qū)可以16、32、48、64bit字長(zhǎng)的字訪問。 外端口支持處理器與片外存儲(chǔ)器及外設(shè)的接口，片外的4G地址空間屬于21160的統(tǒng)一地址空間。
　　外端口支持同步、異步及同步BURST訪問。DMA控制器的操作相對(duì)處理器運(yùn)算核是獨(dú)立和不可見的，即DMA操作可與執(zhí)行指令同時(shí)進(jìn)行。DMA傳輸可以在內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)與外部存儲(chǔ)區(qū)、外圍設(shè)備或主機(jī)之間進(jìn)行。21160共有14個(gè)DMA通道，其中：連接口（linkport）占6個(gè)；串口占4個(gè)；外端口（external port）占4個(gè)。21160可以通過DMA傳輸來下載程序，外圍異步設(shè)備也可以通過DMA請(qǐng)求/應(yīng)答線來控制2個(gè)DMA通道。
　　21160具有許多特點(diǎn)支持多DSP系統(tǒng)。外端口與連接口支持多處理器系統(tǒng)的直接連接，外端口支持統(tǒng)一的地址空間，允許DSP之間互相訪問。片內(nèi)具有分布式總線仲裁邏輯，最多支持6片21160和主機(jī)連接。外端口的最大數(shù)據(jù)傳輸率為400MB/s，廣播寫信號(hào)可以同時(shí)發(fā)送到各片21160。6個(gè)連接口提供了另一種方法實(shí)現(xiàn)多處理器之間的通信。連接口的最高傳輸速率為600MB/s。
　　
　　整個(gè)系統(tǒng)基于VME總線。VME總線系統(tǒng)作為最早的國(guó)際通用開放式總線，自1981年起，經(jīng)歷了近20年的發(fā)展。其影響不斷擴(kuò)大，功能不斷完善，現(xiàn)已成為性能最好、應(yīng)用最廣的國(guó)際總線標(biāo)準(zhǔn)之一。
　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用了4片ADSP21160。片外共享內(nèi)存SRAM可以被主機(jī)和各片DSP直接訪問；EPROM用來存放初始化程序和各片DSP要運(yùn)行的程序，在系統(tǒng)上電后這些程序被下載到各片DSP中；LEDs用來顯示插件的狀態(tài)，如reset、normal等。每一片都有1個(gè)連接口連到插件的前面板，這樣前端采集來的數(shù)據(jù)就可以很方便地傳輸?shù)蕉郉SP上，而且也使數(shù)據(jù)的傳輸模式更加靈活。