谈DSP,MPU,MCU,CPU的区别
CPU(Centeral Process Unit)这里所说的CPU其实是一个狭义的概念，
特别是近些年PC的普及，所以一般就是指Intel的X86兼容芯片，
内部结构大家也应该很清楚了，新的只不过是加了些指令集，
超流水线，cache罢了，总的来说是采用封.诺一慢结构，是复杂
指令集。功能吗就是整数浮点都很一般，控制也不能达到MCU的水平。
3.MPU(Micro Process Unit)其实和CPU差不多，多半是都是CISC的，也有
部分是RISC的，同CPU一样，只不过好象更泛泛些。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。
4.DSP都是RISC(Reduce Instruction Set Computer)，结构上采用了
增强Harvard，或超级Harvard结构，对于Pipeline的进程要求严格，
并行指令应用等。DSP侧重于保证数据的顺利通行，结构尽量简单。
特别是尽量少打断Pipeline。
下面介绍一下DSP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
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nt
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
n)线程与协作序列的组合中，以条件判断为主的应用，以软件管nt
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C
PU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
．实时与非实时obin)线程与协作序列的组合中，以条件判断为主的应用，以软件管
nt
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Debug
Agent伴随应用代码，占用了CPU部分资源，当然在最终产品上，Debug Agent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(VM
E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(Win 95/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。
。度胧 操作核心要足够小，?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
把单DSP任务变成分裂模式 足实时应用，同时由于系统?来越复杂，需要高层次的设计
手t
，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。