摘 要： 針對遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)際需要，介紹了基于title="ARM">ARM微處理器S3C2410A和DSP數(shù)字信號處理器TMS320C6211雙核結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。闡述了該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與軟硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主從設(shè)備單元之間通過I/O口與HPI接口實(shí)現(xiàn)通信。該系統(tǒng)具有性能高、功耗低、實(shí)時(shí)性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)及工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： DSP；ARM；通信
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測物理環(huán)境逐漸成為現(xiàn)實(shí)和研究的熱點(diǎn)。同時(shí)，嵌入式設(shè)備功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為需要利用設(shè)備對現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控等諸多場合提供可靠的支持。
本文設(shè)計(jì)了基于ARM和DSP的雙核嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集物理環(huán)境的數(shù)據(jù)信息并可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端以得到即時(shí)處理。系統(tǒng)以ARM芯片為主設(shè)備單元處理器，完成各種控制和網(wǎng)絡(luò)功能，以DSP芯片作為從設(shè)備單元處理器，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理，ARM單元和DSP單元構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的雙核架構(gòu)。該系統(tǒng)通過自主運(yùn)行采集和分析處理被監(jiān)控區(qū)域的物理信息，依據(jù)實(shí)際需求將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)或做出如報(bào)警、跳閘等即時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)對被檢測區(qū)域的物理事件的實(shí)時(shí)監(jiān)控與檢測。
1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
檢測被監(jiān)控環(huán)境中物理信息的傳統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備，一般采用單核DSP處理器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，穩(wěn)定性不高。本設(shè)計(jì)采用ARM與DSP雙核結(jié)構(gòu)，通過系統(tǒng)主從兩個(gè)設(shè)備單元的硬件通信接口的設(shè)計(jì)和軟件通信的設(shè)計(jì)，將32位嵌入式微處理器ARM與數(shù)字信號處理器DSP相結(jié)合，以充分利用雙核處理器的優(yōu)勢。ARM系統(tǒng)單元采用經(jīng)過裁剪的Linux嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能等；DSP單元通過檢測算法的移植，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集分析、處理和數(shù)據(jù)傳輸。
該雙核設(shè)備系統(tǒng)中，ARM系統(tǒng)作為主設(shè)備單元實(shí)現(xiàn)各控制功能，向DSP單元發(fā)出控制指令，通過硬件接口接收DSP采集的數(shù)據(jù)；DSP系統(tǒng)作為從設(shè)備單元，搜集、分析和處理傳感器或CCD等外設(shè)獲取的物理數(shù)據(jù)，并向主設(shè)備單元發(fā)送有效信息。其中，ARM和DSP之間數(shù)據(jù)交換的速度決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度和性能。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成
監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分組成：ARM微處理器主設(shè)備單元和DSP數(shù)據(jù)處理器從設(shè)備單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。為提高主從設(shè)備單元之間的數(shù)據(jù)交換速度從而有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能，主處理器采用Samsung公司的ARM9內(nèi)核芯片S3C2410A[1]，從處理器采用TI公司的TMS320C6211 DSP芯片[2]。
S3C2410A主頻為200 MHz～266 MHz，數(shù)據(jù)處理速度為1.1 MIPS/MHz，其性能出色，片內(nèi)外資源豐富、視頻處理功能優(yōu)秀、功耗低、外設(shè)接口豐富，可以滿足多種設(shè)備外接的需求。TMS320C6211工作頻率可達(dá)167 MHz，數(shù)據(jù)處理速度可達(dá)1 333 MIPS。TMS320C6211已經(jīng)廣泛應(yīng)用于視頻檢測卡中，可做到以視頻圖像幀速率檢測信息[3]，外設(shè)接口豐富。如圖1所示，ARM處理器選擇通用外部接口GPIO(General purpose I/O)的Port C端口16根數(shù)據(jù)線與DSP的主機(jī)接口HPI(Host Port Interface)相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳輸。ARM在接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)需要做出相應(yīng)處理，如將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)、報(bào)警等；DSP通過中斷的方式定時(shí)向ARM單元提出數(shù)據(jù)傳輸申請，經(jīng)響應(yīng)后將數(shù)據(jù)傳輸給主設(shè)備單元，進(jìn)而通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端。
2.2 主設(shè)備單元設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主設(shè)備單元采用ARM處理器為核心實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，通過相應(yīng)的外設(shè)可以實(shí)時(shí)顯示或相應(yīng)處理，如報(bào)警、電路跳閘和網(wǎng)絡(luò)通信等。S3C2410A處理器采用ARM9內(nèi)核，具有功耗低、體積小、集成度高等特點(diǎn)，可通過GPIO連接多種外設(shè)。其中，內(nèi)部集成了1片8 M×32 bit的Flash，1個(gè)16 M×32 bit寬的SDRAM的內(nèi)存，主設(shè)備單元組成如圖2所示。
主設(shè)備控制單元模塊中，外接1片8 M×16 bit的Flash，一個(gè)16 M×16 bit寬的SDRAM，加上處理器自帶的內(nèi)存，總共構(gòu)成32 MB Flash、96 MB SDRAM，可充分滿足嵌入式操作系統(tǒng)的移植和數(shù)據(jù)存儲的需求。控制單元通過USB口與外設(shè)或上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與系統(tǒng)移植，利用專用的JTAG調(diào)試接口實(shí)現(xiàn)功能調(diào)試。另外，可以利用GPIO外接多種不同的設(shè)備，如顯示器、報(bào)警器，也可以通過自帶的網(wǎng)口連接到辦公網(wǎng)絡(luò)等。
2.3 從設(shè)備單元設(shè)計(jì)
從設(shè)備單元以TMS320C6211芯片為核心，該芯片采用的哈佛結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)具有更高的DSP 指令速度，且具有分離的數(shù)據(jù)總線和程序總線，片內(nèi)集成了ROM、RAM 和多個(gè)外設(shè)數(shù)據(jù)處理部分。
TMS320C6211芯片有兩種方式實(shí)現(xiàn)與ARM控制芯片相連接：(1)利用主機(jī)設(shè)備接口HPI，主設(shè)備單元直接訪問DSP，DSP作為從設(shè)備使用；(2)利用增強(qiáng)直接存儲器訪問控制器EMIF(External Memory Interface)，把ARM控制器映射到EMIF的存儲空間的方式，使用EMIF控制DSP與ARM的數(shù)據(jù)傳輸，DSP作為主設(shè)備使用[4，6]。本文選擇DSP作為從設(shè)備的方式，利用HPI和主設(shè)備單元進(jìn)行通信。
TMS320C6211芯片的主機(jī)接口HPI是1個(gè)16 bit并行端口，主設(shè)備芯片S3C2410A掌管該接口的主控權(quán)，HPI接口允許主設(shè)備芯片通過HPI的3個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)對DSP存儲空間的隨機(jī)地址存取和自增地址存取。DSP芯片的HPI接口3個(gè)寄存器分別是：控制寄存器(HPIC)、數(shù)據(jù)鎖存器(HPID)、地址寄存器(HPIA)。HPI接口信號及其功能如表1所示。主設(shè)備芯片S3C2410A和TMS320C6211都可以存取HPI控制寄存器，主設(shè)備還可以存取HPI地址寄存器和HPI數(shù)據(jù)寄存器，HPI的3個(gè)寄存器都采用存儲器映射方式映射到主設(shè)備的存儲空間[3，6]。
2.4 主從設(shè)備單元的接口設(shè)計(jì)[4-6]
S3C2401A作為主處理單元的處理器工作在主機(jī)模式下，TMS320C6211作為信號采集與處理單元的處理器工作在從機(jī)模式下。ARM系統(tǒng)單元在系統(tǒng)上電時(shí)對DSP系統(tǒng)單元進(jìn)行初始化并加載檢測程序及參數(shù)，利用I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作，通過HPI接口訪問DSP的整個(gè)存儲空間。ARM給DSP發(fā)送控制信息時(shí)，通過HPI接口將控制數(shù)據(jù)直接寫入DSP的某個(gè)存儲區(qū)域內(nèi)，DSP經(jīng)查詢控制信息后，到約定好的DSP存儲區(qū)域內(nèi)取數(shù)據(jù)并作相應(yīng)處理，如寫數(shù)據(jù)到HPI端口等。
S3C2401A通過端口C(Port C)的16根數(shù)據(jù)線和TMS320C6211的HPI接口HD[15：0]連接傳輸數(shù)據(jù)，通過控制線分別產(chǎn)生不同的硬件控制信號。S3C2410A的2根地址線ADDR2、ADDR3分別接到TMS320C6211的HCNTL0、HCNTL1，以完成對HPI接口不同寄存器的訪問。地址線ADDR4代替HR/W信號和HPI口的HR/W相接，用于選擇HPI接口處于寫或讀狀態(tài)。地址線ADDR1與DSP 的HHWIL與相連接，其信號表明并區(qū)分HD[15：0]上傳輸?shù)氖?2 bit數(shù)據(jù)中的高16 bit還是低16 bit。TMS320C6211與S3C2401A間所有的數(shù)據(jù)交換是32 bit寬，而HPI端口為16 bit，所以每次數(shù)據(jù)訪問都需要進(jìn)行2次存取，由HPI自動將HD[15：0]上連續(xù)的2個(gè)16 bit數(shù)據(jù)合成32 bit，也可以用其進(jìn)行反向分解。
S3C2410A的讀/寫信號nOE和nWE分別接到HDS1和HDS2，HPI口的HDS1和HDS2是數(shù)據(jù)選通信號，所有的地址線和控制線都在它們的下降沿采樣。從機(jī)HRDY信號接到主機(jī)的nWAIT(等待信號)上，HRDY是HPI準(zhǔn)備好端，低電平表示HPI已準(zhǔn)備好執(zhí)行一次數(shù)據(jù)傳送，高電平表示HPI正忙于完成當(dāng)前事務(wù)。HPI口的中斷信號HINT連接到主機(jī)上的外部中斷引腳EINT8，用于產(chǎn)生或偵聽中斷信號。HAS是地址選通信號，此信號用于主機(jī)的數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用的情況，不用時(shí)此信號應(yīng)接高電平。
把TMS320C6211映射到S3C2410A的存儲空間組BANK2，將BANK2的片選信號nGCS2與HPI接口的片選信號HCS相連接，只要對BANK2進(jìn)行操作，就可以產(chǎn)生DSP的片選信號。將TMS320C6211的引導(dǎo)模式設(shè)置為HPI boot模式，在復(fù)位后由主機(jī)通過HPI口對DSP進(jìn)行初始化操作，包括初始化CPU和EMIF及向DSP加載程序和數(shù)據(jù)等，主從設(shè)備之間硬件接口連接如圖3所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)的初始化
在設(shè)計(jì)好ARM與DSP硬件連接的基礎(chǔ)上，需要通過正確的初始化和編程才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信。對DSP芯片HPI接口進(jìn)行讀/寫操作時(shí)，將HPI接口看作一個(gè)連接到ARM芯片的外部設(shè)備，將完成讀/寫操作的程序看成在ARM核Linux系統(tǒng)下面的一個(gè)字符型驅(qū)動程序進(jìn)行開發(fā)。程序在上位機(jī)開發(fā)完畢后，經(jīng)JTAG口固化到ARM的存儲空間里。S3C2410A與TMS320C6211之間的初始化程序主要由ARM芯片的初始化和HDI接口讀寫初始化組成。
(1)ARM芯片的初始化[1，4]
ARM處理器先要完成自身工作模式等一系列的初始化，才能正常進(jìn)行HPI接口的讀/寫。初始化主要有嵌入式操作系統(tǒng)的移植、GPIO口管腳功能定義、中斷控制、代碼啟動，還有PLL、時(shí)鐘、存儲器系統(tǒng)以及堆棧等初始化， I/O及BANK存儲空間初始化的部分代碼如圖4所示。
(2)HPI接口讀寫初始化[2，4]
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中HPI口將占用外部I/O接口BANK2的地址，需要對TMS320C6211的BANK進(jìn)行配置，同時(shí)對HPI接口寄存器的地址進(jìn)行宏定義。由于使用單獨(dú)的地址線來模擬HPI16接口的HR/W，因此對同一個(gè)寄存器分別進(jìn)行讀/寫操作時(shí)，看起來像是對不同的地址進(jìn)行相應(yīng)的操作。DSP芯片部分初始化源代碼如圖5所示。
在定義宏后，ARM通過HPI驅(qū)動程序就可以將DSP中的數(shù)據(jù)通過HPI口讀出來，并送到指定的用戶緩沖區(qū)中，再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶終端。
3.2 數(shù)據(jù)傳輸流程
由ARM和DSP雙核構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸由ARM發(fā)起。ARM單元在啟動后，開啟數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程與DSP單元建立通信連接，周期地查詢外設(shè)端口是否有DSP數(shù)據(jù)輸入。在接收到DSP數(shù)據(jù)后，依據(jù)控制單元的程序進(jìn)行分析和處理，以及依據(jù)需要做出相應(yīng)操作或?qū)?shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)等。
DSP數(shù)據(jù)采集單元在啟動后，通過所連接的外設(shè)采集監(jiān)控區(qū)域的物理信息。應(yīng)用移植到DSP核中的程序算法，對接收到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分析和處理。在接收到主設(shè)備控制單元的數(shù)據(jù)傳輸指令后，將經(jīng)過分析處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM控制單元。具體的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示，其中，ARM控制單元和DSP數(shù)據(jù)處理單元各自并行執(zhí)行相關(guān)操作。
本系統(tǒng)采用了目前先進(jìn)的ARM、DSP技術(shù)，ARM作為主處理器完成系統(tǒng)管理及網(wǎng)絡(luò)通信，DSP作為協(xié)處理器完成數(shù)據(jù)采集、分析和處理，整個(gè)系統(tǒng)方案簡潔高效且具有可重構(gòu)性。DSP的快速數(shù)據(jù)處理能力和ARM 卓越的控制、通信能力保證了動態(tài)信號采集和分析系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。由于DSP及ARM均是可編程的系統(tǒng)配置，運(yùn)算靈活，其性價(jià)比高、體積小、功耗低，嵌入式操作系統(tǒng)支持的軟件豐富，源代碼開放裁剪靈活等特點(diǎn)，使本系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足了數(shù)據(jù)采集分析對易操作、網(wǎng)絡(luò)化和低成本等方面的要求，適用于不同環(huán)境的檢測和監(jiān)控。
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