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基于DSP／BIOS的多信号并行处理软件架构设计
随着信息技术和芯片技术的发展，DSP技术在航空、通信、医疗和消费类电子设备中得到广泛应用。伴随主频不断提升及多核并行工作，DSP芯片的运算能力快速增强。运用DSP芯片快速设计多类信号多路并行处理的软件，变得更加重要。为满足需求，文中提出一种基于DSP／ BIOS的软件架构，可提高软件的可维护性和可重用性，方便算法的裁减添加及程序的跨平台移植，实现多类信号多路并行处理的软件快速开发设计。
1 DSP／BIOS简介
DSP／BIOS是TI公司推出的实时操作系统，集成在CCS(Code Composer Studio)开发环境中。DSP／BIOS采用静态配置策略，通过去除运行代码能使目标程序存储空间最小化，优化内部数据结构，在程序执行前够通过确认对象所有权较早地检测出错误，可满足DSP运行时的调试和性能分析，应用DSP／BIOS可以快速编写高效程序，较大的简化DSP应用程序的开发和调试。DSP／BIOS是一组可重复调用的系统模块应用程序接口API集合，分为系统模块System、协助模块Instrumentation、调度模块Scheduling、同步模块Synchronization、通信模块Input／Out put和配置模块CSL。系统模块，主要完成芯片型号确认、字节序Endian Mode配置、主频配置、芯片Cashe空间划分及内存空间分配。协助模块Instrumentation，主要负责消息打印、事件日志及信息追踪工作。调度模块，为DSP／BIOS核心功能，可细化为定时管理CLK、周期中断管理PRD、硬中断管理HWI、软中断管理SWI、任务管理TSK和空闲任务管理IDL。CLK控制片内的32位实时逻辑时钟，负责PRD周期的设置。PRD管理周期对象，触发应用程序周期执行性，为一种特殊的SWI。HWI管理硬件中断，主要负责DSP与外设的数据交互，中断服务程序应尽量短小精焊。SWI是不可阻塞抢断式，SWI任务只能在程序编制时预先定义好。TSK是可阻塞抢断式的，支持任务的动态产生。IDL管理休眠函数，休眠函数在目标系统程序无更高优先权的函数运行时启动，是一种特殊的TSK。同步模块，负责各个调度模块之间信息的交换传递，保证调度模块之间的同步和互斥。通信模块，允许应用程序在目标系统和主机之间交流数据。配置模块，负责芯片底层硬件的配置。另外DSP／BIOS还带有插件，支持实时分析、程序跟踪和性能监视。
2 DSP软件架构
软件架构采用分层设计思想，共分5层：驱动层、系统层、算法层、控制层和应用层。驱动层完成芯片硬件接口及外围芯片驱动。系统层运行DSP／BIOS操作系统，完成硬件中断、周期控制和任务调度功能。算法层提供各类业务需求的算法API。控制层负责软件的指令解析、内存管理、中断服务和交换控制。应用层为CPU调用控制DSP提供指令交互和数据交互接口。
3 子层设计
3．1 驱动层
使用DSP／BIOS图形化的界面，调用芯片支持库模块CSL，快速设置DSP底层硬件接口，完成芯片的MCBSP驱动、EMIF驱动和EDMA驱动的开发。对于外围芯片的驱动，如A／D芯片驱动，首先硬件上完成DSP芯片与A／D芯片的接线，然后按照配置指令的帧格式完成对A／D芯片的配置。
3．2 系统层
系统层设计为软件架构设计的关键点，充分利用DSP／BIOS提供的调度模块和同步模块。将控制层中的指令解析、交换控制和交换表更新模块与PRD绑定，周期检查有无新指令，并根据指令解析更新交换表，调度周期由32位实时逻辑时钟控制。将控制层中的交换控制和数据交换模块与TSK绑定，根据从其他模块收到的信号量SEM或者邮箱信息MBX，进行数据格式转换，完成不同格式的数据在不同信道间的透明传输。将中断服务与HWI进行绑定，完成数据实时收发。运用同步模块Synchronization中的邮箱机制MBX与信号量SEM机制完成HWI、PRD和TSK之间的消息传递。运用操作系统的调度算法，完成多个任务之间的调度，控制数据收发及数据处理。
3．3 算法层
把各类算法单独列为一层，汇聚多类信号算法，采用松散耦合和可重入设计方法，方便算法的移植、维护及多路并行工作设计，并根据应用需求，方便算法的裁减和扩充。各类算法严格独立，都以单独库和头文件的形式提供。算法层的结构如图2所示。
3．4 通信常用算法
DTMF：双音多频信号，每个号码由两个音频信号相加得到，广泛用在电话拨号和来电显示中，其生成和检测算法。
FSK：利用1 200 Hz和2 200 Hz的正弦信号，采用2FSK调制解调方法，广泛用于来电显示中，其生成和检测算法。
TONE：三音生成和检测算法，包含信号音、忙音、回铃音生成和三音检测，广泛用于电话交换系统中。
G．711：速率为64 khit·s-1的语音编解码标准，广泛用于电话交换系统中。
CVSD：连续可变斜率编码的英文缩写，速率为16 khit·s-1的语音编解码标准，用于低速率通信系统中，其编解码算法。
3．5 控制层
控制层设计为软件架构设计第二个关键点，在应用层与系统层、算法层之间起到桥梁作用。由指令解析、内存管理、中断服务和交换控制4个模块组成。指令解析由操作系统PRD调用，周期性的判断是否具有新的指令到来，如有新指令到来，首先把新的指令放入到指令FIFO存储器，然后清空指令空间，避免下次调用指令解析函数时做出误判断，最后指令解析模块会对指令FIFO中的内容进行解析，根据解析结果更新交换控制模块中的交换表。内存管理为每个业务通道分配了发送缓存区Tx Buffer和接收缓存区Rx Buffer，并为每个Tx Butter和Rx Buff er配备了管理指针，用于指示Buffer中的数据的存储位置及空闲位置，并由此计算出每个Buffer的数据个数及空闲空间大小，完成对异常操作如写操作过程中产生的Buffer溢出或读操作过程产生的Buffer空的处理。在产生硬件中断时，中断服务由BIOS系统HWI调用，完成实时数据收发。中断服务需要保证实时性，不作过多控制和计算，尽可能减少执行指令数目，以及使用短周期指令，必要情况下使用CCS提供的已经优化的Intrinsics函数进行程序的优化或运用汇编指令编写。HWI不可阻塞，在中断服务中，不可调用具有可能引起阻塞的函数。与系统中其他任务之间的信息交换可以通过协助模块中的邮箱机制MBX或信号灯机制SEM进行交互。交换控制模块实现不同通道数据之间的交换，并伴随不同数据格式相互转换。交换控制包含交换表管理和数据交换，具备多种的交换能力。交换表管理具有交换表条目删除和增加的功能。数据交换模块根据交换表完成源通道数据到目的通道数据格式转换，然后将转换后的数据放置到目的通道的发送缓存中，等待数据发送，具有多路并行工作能力。控制层内部模块之间的数据交互如图3所示。
3．6 应用层
应用层设计采用内存共享机制，实现DSP与CPU的指令交互和数据交互。为确保每次读写数据的完整性和正确性，两块处理器间需要建立有效的通信机制，保证不会同时对同一地址进行操作。指令交互负责接收CPU指令并向CPU返回结果。指令解析模块周期性读取指令，并进行解析，控制DSP每个业务通道的操作，如果是DTMF检测、FSK检测或TONE检测指令，DSP将解析出的结果反馈给CPU。如果是DTMF产生、FSK产生或TONE产生指令，DSP将向指定业务通道发送号码对应的DTMF信号、FSK信号或拨号音、忙音、回铃音或催挂音等；如果是两信道语音格式转换指令，DSP将从源信道接收数据，完成转换格式后，发往目的通道。数据交互，DSP与CPU通过共享内存还可进行数据交互，数据的存储状态将由内存管理模块进行控制。
4 结束语
文中介绍的软件架构，已在实际应用中得到验证，在TMS320VC5416可同时完成32路多种信号处理DTMF、FSK、TONE、CVSD、G．711任意配置，在TMS320C6418可同时完成128路多信号处理DTMF、FSK、TONE、CVSD、G．711任意配置，并可加入多路G．729处理。该软件架构能够保证不同算法的单独开发和重复利用，在跨平台移植时，根据硬件接口不同，仅需对驱动层进行重新配置，其余层的代码可直接移植，加速了多信号并行处理软件开发设计。
随着信息技术和芯片技术的发展，DSP技术在航空、通信、医疗和消费类电子设备中得到广泛应用。伴随主频不断提升及多核并行工作，DSP芯片的运算能力快速增强。运用DSP芯片快速设计多类信号多路并行处理的软件，变得更加重要。为满足需求，文中提出一种基于DSP／ BIOS的软件架构，可提高软件的可维护性和可重用性，方便算法的裁减添加及程序的跨平台移植，实现多类信号多路并行处理的软件快速开发设计。
1 DSP／BIOS简介
DSP／BIOS是TI公司推出的实时操作系统，集成在CCS(Code Composer Studio)开发环境中。DSP／BIOS采用静态配置策略，通过去除运行代码能使目标程序存储空间最小化，优化内部数据结构，在程序执行前够通过确认对象所有权较早地检测出错误，可满足DSP运行时的调试和性能分析，应用DSP／BIOS可以快速编写高效程序，较大的简化DSP应用程序的开发和调试。DSP／BIOS是一组可重复调用的系统模块应用程序接口API集合，分为系统模块System、协助模块Instrumentation、调度模块Scheduling、同步模块Synchronization、通信模块Input／Out put和配置模块CSL。系统模块，主要完成芯片型号确认、字节序Endian Mode配置、主频配置、芯片Cashe空间划分及内存空间分配。协助模块Instrumentation，主要负责消息打印、事件日志及信息追踪工作。调度模块，为DSP／BIOS核心功能，可细化为定时管理CLK、周期中断管理PRD、硬中断管理HWI、软中断管理SWI、任务管理TSK和空闲任务管理IDL。CLK控制片内的32位实时逻辑时钟，负责PRD周期的设置。PRD管理周期对象，触发应用程序周期执行性，为一种特殊的SWI。HWI管理硬件中断，主要负责DSP与外设的数据交互，中断服务程序应尽量短小精焊。SWI是不可阻塞抢断式，SWI任务只能在程序编制时预先定义好。TSK是可阻塞抢断式的，支持任务的动态产生。IDL管理休眠函数，休眠函数在目标系统程序无更高优先权的函数运行时启动，是一种特殊的TSK。同步模块，负责各个调度模块之间信息的交换传递，保证调度模块之间的同步和互斥。通信模块，允许应用程序在目标系统和主机之间交流数据。配置模块，负责芯片底层硬件的配置。另外DSP／BIOS还带有插件，支持实时分析、程序跟踪和性能监视。
2 DSP软件架构
软件架构采用分层设计思想，共分5层：驱动层、系统层、算法层、控制层和应用层。驱动层完成芯片硬件接口及外围芯片驱动。系统层运行DSP／BIOS操作系统，完成硬件中断、周期控制和任务调度功能。算法层提供各类业务需求的算法API。控制层负责软件的指令解析、内存管理、中断服务和交换控制。应用层为CPU调用控制DSP提供指令交互和数据交互接口。
3 子层设计
3．1 驱动层
使用DSP／BIOS图形化的界面，调用芯片支持库模块CSL，快速设置DSP底层硬件接口，完成芯片的MCBSP驱动、EMIF驱动和EDMA驱动的开发。对于外围芯片的驱动，如A／D芯片驱动，首先硬件上完成DSP芯片与A／D芯片的接线，然后按照配置指令的帧格式完成对A／D芯片的配置。
3．2 系统层
系统层设计为软件架构设计的关键点，充分利用DSP／BIOS提供的调度模块和同步模块。将控制层中的指令解析、交换控制和交换表更新模块与PRD绑定，周期检查有无新指令，并根据指令解析更新交换表，调度周期由32位实时逻辑时钟控制。将控制层中的交换控制和数据交换模块与TSK绑定，根据从其他模块收到的信号量SEM或者邮箱信息MBX，进行数据格式转换，完成不同格式的数据在不同信道间的透明传输。将中断服务与HWI进行绑定，完成数据实时收发。运用同步模块Synchronization中的邮箱机制MBX与信号量SEM机制完成HWI、PRD和TSK之间的消息传递。运用操作系统的调度算法，完成多个任务之间的调度，控制数据收发及数据处理。
3．3 算法层
把各类算法单独列为一层，汇聚多类信号算法，采用松散耦合和可重入设计方法，方便算法的移植、维护及多路并行工作设计，并根据应用需求，方便算法的裁减和扩充。各类算法严格独立，都以单独库和头文件的形式提供。算法层的结构如图2所示。
3．4 通信常用算法
DTMF：双音多频信号，每个号码由两个音频信号相加得到，广泛用在电话拨号和来电显示中，其生成和检测算法。
FSK：利用1 200 Hz和2 200 Hz的正弦信号，采用2FSK调制解调方法，广泛用于来电显示中，其生成和检测算法。
TONE：三音生成和检测算法，包含信号音、忙音、回铃音生成和三音检测，广泛用于电话交换系统中。
G．711：速率为64 khit·s-1的语音编解码标准，广泛用于电话交换系统中。
CVSD：连续可变斜率编码的英文缩写，速率为16 khit·s-1的语音编解码标准，用于低速率通信系统中，其编解码算法。
3．5 控制层
控制层设计为软件架构设计第二个关键点，在应用层与系统层、算法层之间起到桥梁作用。由指令解析、内存管理、中断服务和交换控制4个模块组成。指令解析由操作系统PRD调用，周期性的判断是否具有新的指令到来，如有新指令到来，首先把新的指令放入到指令FIFO存储器，然后清空指令空间，避免下次调用指令解析函数时做出误判断，最后指令解析模块会对指令FIFO中的内容进行解析，根据解析结果更新交换控制模块中的交换表。内存管理为每个业务通道分配了发送缓存区Tx Buffer和接收缓存区Rx Buffer，并为每个Tx Butter和Rx Buff er配备了管理指针，用于指示Buffer中的数据的存储位置及空闲位置，并由此计算出每个Buffer的数据个数及空闲空间大小，完成对异常操作如写操作过程中产生的Buffer溢出或读操作过程产生的Buffer空的处理。在产生硬件中断时，中断服务由BIOS系统HWI调用，完成实时数据收发。中断服务需要保证实时性，不作过多控制和计算，尽可能减少执行指令数目，以及使用短周期指令，必要情况下使用CCS提供的已经优化的Intrinsics函数进行程序的优化或运用汇编指令编写。HWI不可阻塞，在中断服务中，不可调用具有可能引起阻塞的函数。与系统中其他任务之间的信息交换可以通过协助模块中的邮箱机制MBX或信号灯机制SEM进行交互。交换控制模块实现不同通道数据之间的交换，并伴随不同数据格式相互转换。交换控制包含交换表管理和数据交换，具备多种的交换能力。交换表管理具有交换表条目删除和增加的功能。数据交换模块根据交换表完成源通道数据到目的通道数据格式转换，然后将转换后的数据放置到目的通道的发送缓存中，等待数据发送，具有多路并行工作能力。控制层内部模块之间的数据交互如图3所示。
3．6 应用层
应用层设计采用内存共享机制，实现DSP与CPU的指令交互和数据交互。为确保每次读写数据的完整性和正确性，两块处理器间需要建立有效的通信机制，保证不会同时对同一地址进行操作。指令交互负责接收CPU指令并向CPU返回结果。指令解析模块周期性读取指令，并进行解析，控制DSP每个业务通道的操作，如果是DTMF检测、FSK检测或TONE检测指令，DSP将解析出的结果反馈给CPU。如果是DTMF产生、FSK产生或TONE产生指令，DSP将向指定业务通道发送号码对应的DTMF信号、FSK信号或拨号音、忙音、回铃音或催挂音等；如果是两信道语音格式转换指令，DSP将从源信道接收数据，完成转换格式后，发往目的通道。数据交互，DSP与CPU通过共享内存还可进行数据交互，数据的存储状态将由内存管理模块进行控制。
4 结束语
文中介绍的软件架构，已在实际应用中得到验证，在TMS320VC5416可同时完成32路多种信号处理DTMF、FSK、TONE、CVSD、G．711任意配置，在TMS320C6418可同时完成128路多信号处理DTMF、FSK、TONE、CVSD、G．711任意配置，并可加入多路G．729处理。该软件架构能够保证不同算法的单独开发和重复利用，在跨平台移植时，根据硬件接口不同，仅需对驱动层进行重新配置，其余层的代码可直接移植，加速了多信号并行处理软件开发设计。
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