嵌入式系統(tǒng)的目的是提供一個以多任務和網絡為信心,易于開發(fā)的復雜數字系統(tǒng)。從數字技術和信息技術的角度看,嵌入式系統(tǒng)已成為現代信息網絡技術應用的基礎技術,已成為現代工控領域的基本技術。

使用嵌入式系統(tǒng)技術,不僅可以實現硬件和軟件的優(yōu)化集成,更主要的是提供了使用“數字基因技術”的基本工具。從計算機和信息網絡技術發(fā)展的角度看,嵌入式系統(tǒng)標志著網絡化計算機時代的到來,標志著計算機應用進入了“通用元素”化和“數字基因”化發(fā)展的新階段,因此,嵌入式系統(tǒng)在計算機應用具有里程碑的意義。

本文將討論DSP內核嵌入式系統(tǒng)或芯片的基本技術特征,以及這種嵌入式系統(tǒng)的應用技術特點。

以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)實際上就是一個集成化的計算機系統(tǒng)。隨著信息技術的發(fā)展,應用領域還對嵌入式系統(tǒng)提出了網絡化功能,這就促使嵌入式系統(tǒng)向著更高的集成化方向發(fā)展。

　　嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,主要體現在芯片技術的進步,以及芯片技術限制下的算法與軟件的進步上。對于嵌入式系統(tǒng)來說,核心是具有數據處理和系統(tǒng)管理能力的計算機系統(tǒng),因此,只要是以處理器系統(tǒng)為核心的器件,都可以形成嵌入式系統(tǒng)。這就是說,使用具有強大數據處理功能的DSP器件也可以組成一個嵌入式系統(tǒng),并且可以充分發(fā)揮DSP器件在數據處理方面的優(yōu)勢,改善嵌入式系統(tǒng)的實時操作特性。

　　所謂DSP嵌入式系統(tǒng),實際上就是把DSP系統(tǒng)嵌入到應用電子系統(tǒng)中的一種通用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有DSP系統(tǒng)的所有技術特征,同時還具有應用目標所需要的技術特征。DSP嵌入式系統(tǒng)不再是一個專用的DSP系統(tǒng),而是一個完整的、具有多任務和實時操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng),以這個計算機系統(tǒng)為基本,可以十分方便地開發(fā)出用戶所需要的應用系統(tǒng)。

DSP器件特點

　　DSP器件是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器,其主要應用是實時快速地實現各種數字信號算法處理。按數據格式劃分,DSP器件可以分為定點和浮點兩種。

DSP芯片具有如下主要技術特性：

1)硬件上采用多總線哈佛（Harvard）結構,提高了數據的處理能力和速度。

2)指令執(zhí)行采用流水作業(yè)（pipeline）,具有較高的指令執(zhí)行速度。

3)采用獨立的硬件乘法/加法器（MAC）,極大地提高了數據處理速度。

4)設置有循環(huán)尋址（Circular addressing）、位倒序（bit-reversed）等特殊指令,有處于實現高健壯性的實時系統(tǒng)。

5）內部具有獨立的DMA總線控制器,通過DSP器件中一組或多組獨立的DMA總線,可以實現程序執(zhí)行與數據傳輸并行工作。目前,在不影響CPU工作的條件下,片內DMA速度已達1600Mbyte/s以上。

6）提供了多處理器接口,可以十分方便地實現多個處理器并行或串行工作,不僅可以提高數據處理速度,還為使用嵌入式子系統(tǒng)實現大型和復雜嵌入式系統(tǒng)提供了技術基礎。

7）提供了JTAG（Joint Test Action Group）標準測試接口（IEEE 1149標準接口）,便于DSP作片上的在仿真和多DSP條件下的調試。

　　由于DSP器件的上述技術特性,使得以DSP器件為核心的DSP系統(tǒng)具有如下幾個主要技術特點：

1）數據處理速度快,具有良好的可編程實時特性。

2）硬件軟件接口方便,可以十分方便地與其它數字系統(tǒng)或設備相互兼容。

3）開發(fā)方便,可以靈活地通過軟件對系統(tǒng)的特性和應用目標進行修改和升級。

4）具有良好的系統(tǒng)健壯性,受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小、可靠性高。

5）易于實現系統(tǒng)集成或使用SOC技術,可以提供高度的規(guī)范性。

　　以DSP器件為核心的嵌入式系統(tǒng)基本硬件結構

　　典型的DSP嵌入式系統(tǒng)構成如圖1所示。

　　在圖1中,網絡通信接口不僅提供了DSP嵌入式系統(tǒng)的網絡通信硬支持,同時也提供了通過網絡開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的技術條件。在DSP嵌入式系統(tǒng)中,網絡接口具有十分重要的作用,同時由于現代網絡技術的發(fā)展,要求嵌入式系統(tǒng)中的網絡接口必須能滿足不同開發(fā)系統(tǒng)的要求,因此除了包含IEEE1394-2（USB火線）外,還應當包含有傳統(tǒng)的RS232和IEEE488接口,以及以太網接口和相應的TCP/IP協(xié)議。

　　從圖1可以看出,如果不考慮用戶應用電路,則DSP嵌入式系統(tǒng)就可以形成一個獨立的通用高速數據處理系統(tǒng),這個高速數據處理系統(tǒng)不僅具有數據處理、可編程開發(fā)和多DSP并行應用的特點,還具有強大的網絡功能,可以完全滿足信息網絡的技術要求。

　　圖2是一個DSP嵌入式系統(tǒng)和PLC形成的工業(yè)控制系統(tǒng)基本結構。從圖2可以看出,如果DSP嵌入式系統(tǒng)的資源不能滿足系統(tǒng)要求時,可以采用附加DSP系統(tǒng)或增加一個完整的DSP嵌入式系統(tǒng)的方法加以解決,而不需要從系統(tǒng)結構上進行大的改動。

DSP嵌入式系統(tǒng)的應用特性

　　DSP嵌入式系統(tǒng)最重要的技術特性就是具有相當強大的數據處理功能,從現代信息技術角度看,在系統(tǒng)中嵌入DSP的目的,就是為了增強系統(tǒng)的信息處理能力。因此,DSP嵌入式系統(tǒng)與微處理器嵌入式系統(tǒng)在應用特性上有很大的不同。

并行操作

　　為了提高系統(tǒng)的數據和信息處理能力,DSP嵌入式系統(tǒng)可提供許多重要的數據處理算法,其中一個重要的內容就是并行算法。這里的并行算法包含軟件和硬件兩個方面的概念。從軟件的角度看,在使用微處理器的嵌入式系統(tǒng)中,并行算法的實現往往比較復雜,而對于DSP嵌入式系統(tǒng),由于系統(tǒng)中DSP器件中采用的哈佛結構、浮點運算以及并行乘加運算,所以可比較容易地實現并行算法和一些并行系統(tǒng)操作的軟件編程。從硬件角度看,DSP器件的多總線結構和片同DMA電路與局部總線,為并行算法與并行操作提供了硬件支持。

直接終端操作

　　使用嵌入式系統(tǒng)的一個重要目的,就是要用簡單的方法和技術實現復雜的系統(tǒng)。憑借DSP強大的數據和信息處理功能,使其具有直接處理終端信號和信息的能力,因此,在DSP嵌入式系統(tǒng)中,可以實現終端的直接操作。例如在圖2中,可以直接利用DSP系統(tǒng)處理某個PLC測量的模擬信號,或者直接處理一組PLC采集的邏輯信號所攜帶的控制信息。這樣就能大大降低對PLC的要求,即充分利用DSP嵌入式系統(tǒng)資源,提高系統(tǒng)的性能和技術指標,又可以降低系統(tǒng)的整體成本。

數據流量大

　　由于采用高度集成,在簡化終端電路復雜程度的同時,也帶來了數據流量大的問題,例如,如果對一個終端需要進行比較復雜的濾波、信息提取和識別,終端設備只起到數據采集的作用就可以了,這時的數據流量將會遠大于僅完成設置和傳遞系統(tǒng)操作命令所需要的數據流量。如果系統(tǒng)中有幾個這樣的終端,則會使數據處理流量遠大于DPS系統(tǒng)所具有的處理能力。因此,一般采用DSP嵌入式系統(tǒng),必須注意不要增加數據流量,而是充分利用DSP的數據處理能力,強化系統(tǒng)的管理、操作以及遠程通信功能。此外,還可以使用廉價的DSP器件形成低價位的DSP嵌入式系統(tǒng),使信息處理成為網絡終端的基本功能,從而形成具有信息處理能力的嵌入式系統(tǒng)單元,再利用這些智能單元組成復雜的智能網絡。

結束語

　　嵌入式系統(tǒng)已經與SOC技術融合在一起,成為新一代信息技術的基礎。嵌入式系統(tǒng)中可以采用微處理器、單片機或DSP,其中DSP嵌入式系統(tǒng)不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點和技術特性,而且還可使用并行算法操作,具有高速數字信號處理的能力,為實現系統(tǒng)的實時性提供了有力的支持。

　　與傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)（即單板機、PC機等）相比較,嵌入式系統(tǒng)更有利于網絡應用和智能系統(tǒng)應用,由于嵌入式系統(tǒng)可以實現單片機,因此使得嵌入式系統(tǒng)幾乎可以用于任何一種數字系統(tǒng)應用場合。嵌入式系統(tǒng),特別是DSP單片機系統(tǒng)已經成為現代電子技術、計算機技術和信息網絡技術的重要支柱。

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