摘　要：简要概述了DSP与单片机的关系，然后详细介绍了DSP应用软件结构，并对DSP应用的未来趋势——DSP和RTOS的结合进行了初步分析。 　　关键词：DSP　实时操作系统　循环调度 1　DSP、MCU、MPU的关系 　　微控制器MCU通俗的称呼是单片机，它与微处理器MPU是微机技术的两大分支。MPU的发展动力是人类对无止境的海量数值运算的需求，速度越来越快。MCU的发展是为了满足被控制对象的要求，向高可靠性、低功耗、低成本发展。一般MCU的引脚数在60以下，MCU以8位机为主、32位机为辅。有趋势提高MCU的运算功能，将DSP集成到MCU中，比如32位的MC68356集成了Motorola的DSP56002。 　　微控制器MCU一直存在两种基本结构：哈佛(Harvard)结构和冯诺伊曼(vonMeumann)结构，还可进一步讲是对应成复杂指令集计算机CISC和精简指令计算机RISC。冯诺伊曼结构具有单一总线PRAM或DRAM都映射到同一地址空间，总线宽度与CPU类型匹配。哈佛结构具有独立的程序总线和数据总线，CISC的指令一般是微码miccode，每条指令由CPU解码为许多基本指令，基于CISC的微控制器一般很复杂，都采用冯诺伊曼结构，所需要的程序存储器比RISC产品少。微码在CPU产生而限制了CISC器件的带宽，其指令集也比RISC器件大。 　　68000的MPU是准32位的MPU，内部32位，外部总线是16位。苹果机就是用68000系列，它的运行分成系统态和用户态，其设计是面向分时多任务或实时操作系统的，68000的总线后来变成VME总线标准。到68020就是全32位了。 　　1991年IEEE1149.1即JTAG的公布满足了IC制造商的措施需求，也给ASIC、MCU、MPU、DSP、PLD、FPGA等的用户带来方便。一般十万门以上的IC都有JTAG接口，1993年IEEE1149.5对JTAG作了修正(5线接口)。IC的测试分成晶片级、IC封装级、电路板与系统极，JTAG完成了前两者的测试。适于68000系列的32位机的开发工具ICD32是一段扁平电缆，一端接IC的JTAG的5线接口，一端通过25芯头(里面有GAL)接PC机并口。 　　传统上，微控制器MCU与微处理器MPU是两大分支，而DSP是MCU的一种特殊变形。但是从实质讲，MPU多半是CISC，除了DSP之外的MCU也是CISC。而DSP是RISC。所以比较时更适合DSP与MPU相比，MPU适宜于相同管理这样的应用中，以条件判断为主的应用，以软件管理的操作系统为核心的产品，MPU的设计侧重于不妨碍程序的流程，以保证操作系统支持功能及转移预测功能等。而DSP侧重于保证数据的顺利通行，结构尽量简单。 2　DSP应用的结构 　　DSP应用不同于主流的嵌入式系统应用，在那些应用中，你可以依赖一个通用的多优先级核心(Kernel)的服务。而在DSP领域，该核心与DSP模块可能是两回事，尽管核心都应该提供CPU资源、中断处理、通信机制等。所以，一个有丰富细节的核心和操作系统通常是不加以考虑的，因为它加在紧凑的DSP上实在勉强。开发者常常自已设计系统软件框架，作为目标代码的一部分一起运行。开发者甚至没有意识到自已编写了一个小型操作系统。 　　可见，这样的核心/操作系统随着应用的不同是多种多样的。也需要有各种核心，支持从简单到复杂的应用。至于是自已写核心或者从别的专业公司获得帮助，那是需要在效率、紧凑、灵活、扩展性、安全等因素进行折衷考虑的。 2.1　核心的种类 　　一般来说，框架从简单到复杂分成：单任务和一个中断服务程序(ISR)、多个互相通信的任务、多个分时循环的线程、多优先级的结构。 　　．单任务和中断服务流程ISR(基本核心结构) 　　单任务处理一个数据缓冲区，数据由一个ISR从特定的硬件取得(如AD器件)。系统首先需要初始化，使能中断，建立外设的正确状态。ISR的编程则应该保护现场，ISR的错误是调试很难检查的。通常一次ISR控制一个数据，而主任务需要一个数据缓冲区。解决办法是双缓冲结构。主程序的常见流程是：等待ISR填满缓冲区；处理缓冲区数据，释放已经处理完的缓冲区。为了保证实时性，系统至少是双缓冲，因此主程序处理一个缓冲区时，ISR正在向另一个缓冲区送数。这种情况下，不需要特别的同步机制，缓冲区的满就是同步机制，整个系统除了主任务外就无所事事了，主任务则占用一切DSP资源。故此模式效率非常高。 　　．通用的任务 　　系统有一个核心，它可以管理多任务，允许向系统列表加任务来扩展系统，占用如何扩展则与应用有关。首先以一个自动应答机来说明这种扩展，ISR是一个，而多个任务串行执行：音调检查、语音识别、话音压缩等。第一个任务控制CPU的缓冲区，执行完后主动彻底放弃控制，移交下一个任务。这种安排使得任务切换开销很小，因为你完全知道切换时，哪些状态需要保存而哪些不需要。这种方式的毛病就是任何一个任务失控，整个系统就崩溃了，因为核心没有办法取得对CPU的控制。 　　．多个执行线程以循环(round-robin)模式切换 　　对前一种结构的改进是使用一种更安全的任务安排，使各个任务的依赖关系弱化。这需要一个基于时间段的任务切换器，在当前任务用完了规定时间片后将控制权移交下一个任务。在循环结构中，各个任务是平等的机会。这样CPU不会在为一个坏的任务而瘫痪，当然，安全的代价是你无法准确知道任务切换在什么时候发生，于是某个线程进入时的现场保护必须保护该线程要使用的所有寄存器，并且在退出线程时全部恢复。 　　．循环(round-robin)线程与协作序列的组合 　　当处理一个较复杂但每个通路的处理是相同的时候，如语音信箱，无线基站，PXB等。可以将多个通路按照通用的多任务方式处理，而每个任务内以循环线程组成，每个任务是安全的，也就保证了整个系统的安全的。 　　．通用的解决：多优先组结构 　　这是灵活性最强的方式，广泛应用于浮点和定点DSP系统。多优先级可以认为是循环方式的一种增强版，在资源可用时，高优先级的线程会被执行。多优先级核心应该小心使用，因为很难确定实时执行序列，特别是如果还允许动态改变优先级的话，调试更加困难。而且核心本身占用的CPU资源对定点DSP而言是相当大的开销。 　　除了这些缺点，本结构是某些应用的理想选择。比如，系统中的任务有的是时间苛刻的(高优先级)，有些是可以后台运行的(低优先级)，比如在蜂房电话中，DSP要迅速及时处理带内信号信令，对用户的按键则可以较慢地响应。随着DSP和MCU的功能上进一步集成，这种应用会越来越多。 2.2　其他性能综述 　　．现场保护 　　任务切换中的现场保护(上下文保护)是影响性能的一个重要因素，它与中断响应时延是矛盾的，在任务列表被访问和管理期间，中断通常需要禁止。所以，任务机制越复杂，中断需要的时延越大。注意，在DSP领域，实时中断常处理几十kHz的信号，对中断响应需要的时延是很敏感的。 　　．实时与非实时 　　对于基于核心的系统进行调试，将系统作为一个整体来调试需要满足两个基本要求：需要系统全速运行时可以观察和管理系统；需要知道每次观察时影响的上下文。为达到此要求系统必须增加额外开销。 　　DSP设计者并非处处需要实时调试工具，模块的很多部分可以单步调试。但是，大部分问题(bug)都是整个系统全速运行时暴露出来的。Go-DSP的调试工具Code Composer的优越是在系统全速运行时仍然可以观察和修改状态。实时调试是需要代价的，需要有DebugAgent伴随应用代码，占用了CPU部分资源，当然在最终产品上，DebugAgent是完全去掉的。 3　实时操作系统RTOS与DSP应用的结合 3.1　用于嵌入式微处理器的传统的实时多任务操作系统 　　目前的趋势是一个微处理器MCU从单一任务结构变成多任务的结构，初期软件设计是在应用中增加一个任务调用循环作为主程序，随着软件规模上升和对实时性要求的提高，RTOS作为一种软件开发平台，成为嵌入式系统领域的主流。 　　RTOS是一段MCU启动后首先执行的背景程序，贯穿系统运行的始终。RTOS的引入会增加系统的代码存储器占用和运行时间。RTOS主要的性能指标是存储器占用、最小任务切换时间、最大中断延时。这三个指标与RTOS自身的设计、微处理器的设计、C语言编译器的性能有关。 3.2　实时操作系统RTOS与DSP结合 　　DSP软件开发越来越复杂，开发者会发现自已在两个矛盾的方向努力，一方面，设计者必须对底层代码优化以满足实时应用，同时由于系统越来越复杂，需要高层次的设计手段，包括使用库和第三方软件包。 　　对DSP应用提供RTOS支持，是DSP的性能和功能日益增加的必然结果。DSP正在从高速数学引擎转变为包含主流控制器具有的特性的芯片，因此需要DSP设计人员集中精力解决应用问题，而不是重复实施系统级功能。 　　DSP系统一般是两个极端，简单的单片DSP设计，用于Modem或峰房电话等。另一种是高性能的多处理器DSP系统，用于大批输入流的实时处理。对于高档多处理器DSP系统设计，有四个可能影响性能的主要因素：通过系统的数据流(流水线或星形)；主系统总线(VME或PCI总线)；RTOS的性能，多DSP系统中，RTOS在每个DSP上运行于嵌入式模式，RTOS提供所需要的数据流和处理性能，同时又允许主处理器继续在其固有模式(Win95/NT/Solaris)中操纵整个系统；处理来自A/D阵列的输入流的接口设计，最好方法是使A/D转换子系统与系统其余部分有效隔离。 　　选择RTOS的关键考虑因素： 　　．保证其可靠性足以应付DSP负载。 　　．支持与NT或Unix主系统的互操作性。 　　．嵌入式操作核心要足够小，适应于有限的DSP存储空间。 　　．有面向DSP的高级指令集，便于迅速编程。 　　．必要时可以对低级程序码手动优化。 　　嵌入式RTOS的主要功能是为DSP之间的实时协调与通信提供一个标准化的环境，包括中断处理和存储区分配等，以及和主机OS握手的所有功能。RTOS运行于DSP之上，所以必须很小，还应该能进行分布操作和DSP任务的并行编程。RTOS的结构应该使程序员很容易把单DSP任务变成分裂模式，即能运行于多个DSP。RTOS应该能支持顺畅地把任务分摊。面向DSP的嵌入式RTOS的主要功能是：多任务；动态进程；同步消息传递；信号机；时钟管理；等等。总之，目标是最小的运行开销和最大的硬件控制能力。 　　作为Eonic公司的Virtuoso，可以用于浮点和定点DSP。用于TI C4x和ADSP1060的版本的差别是有特殊的通信端口，便于多处理器系统的硬件开发。通过提供透明的多处理，使软件开发也容易。Virtuoso对于单DSP的应用也提供了很多优越性，从一开始开发，你就有一个完全的多任务环境，这就意味着你可以将应用分成几个小的任务，更便于编程。有一套完整的工具用于任务间通信，任务同步，管理存储区和定时器，中断管理。提供了一个ISR1层支持嵌套中断。而TI缺省的ISR0层的中断服务中是不允许被中断的。如果系统中有突发性的中断发生，就有可能丢中断。Virtuoso的ISR1层提供了可嵌套的中断机制，且响应速度与ISR0相当。多任务机制使设计人员能够充分发挥DSP的能力，因为可以使DSP是100%的忙碌，否则DSP可能为了等待某个事件发生而处于空闲。特别是采用TMS320C6201，不使用RTOS是无法充分发挥其性能的。Virtuoso的另一个优点是可移植性，编写的C代码可以使用到Virtuoso支持的任何DSP。 　　用于DSP的RTOS对加快开发进度、提供高级功能调用和标准的I/O库是非常有用的。许多RTOS支持多任务并包含DSP库，使用它有助于可移植性和可维护性。另一方面，RTOS要占用处理器的开销，耗费本来可用于信号处理的DSP周期。如果是对于单处理器，支持多任务的开销可能会很可观。另外，成本也是要考虑的因素。