嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)資源簡(jiǎn)化匯聚式處理器技術(shù)

在硬件平臺(tái)方面微控制器以及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)產(chǎn)品無(wú)論從品牌、成本、功能特性方面選擇數(shù)以千計(jì)，您完全可以針對(duì)您的目標(biāo)應(yīng)用對(duì)成本、處理能力、功耗要求、集成度、開發(fā)周期、技術(shù)難度等具體要求，精心選擇出最具綜合優(yōu)勢(shì)的硬件核心平臺(tái)。

當(dāng)今的嵌入式應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，全球每年生產(chǎn)數(shù)十億顆微處理器，其中大部分被廣泛應(yīng)用于各類嵌入式系統(tǒng)，從消費(fèi)電子、通信終端及系統(tǒng)設(shè)備、工業(yè)控制、汽車電子系統(tǒng)到航空航天，無(wú)處不能看到嵌入式應(yīng)用的身影。

而在嵌入式操作系統(tǒng)方面，您同樣不再會(huì)有桌面應(yīng)用中幾乎無(wú)可選擇的尷尬，無(wú)論是開放源代碼的Linux陣營(yíng)的各種商業(yè)版本或免費(fèi)版本，還是WinCE、vxWorks等“重量級(jí)”平臺(tái)，抑或針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化的如Windows Mobile、Symbian、Android等，您同樣可以為您的目標(biāo)應(yīng)用選擇一款最佳的操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)。

　　嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程是軟硬件聯(lián)合協(xié)同開發(fā)的過(guò)程，在進(jìn)行軟硬件平臺(tái)選擇評(píng)估時(shí)，單純地離開硬件去評(píng)估操作系統(tǒng)或離開操作系統(tǒng)評(píng)估硬件平臺(tái)都有失偏頗，特別是對(duì)于很多非通用處理器來(lái)說(shuō)尤其如此。當(dāng)前很多嵌入式硬件平臺(tái)都提供了針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用優(yōu)化的操作系統(tǒng)及軟件模塊資源，一些商業(yè)化的操作系統(tǒng)也針對(duì)主流的硬件平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供第三方優(yōu)化操作系統(tǒng)版本，這些資源對(duì)于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有重要的意義。本文將介紹一種獨(dú)特的嵌入式平臺(tái)核心處理器——匯聚式處理器Blackfin以及其主流的配套操作系統(tǒng)及相關(guān)資源。

基于Blackfin構(gòu)建獨(dú)特的嵌入式平臺(tái)

　　匯聚式處理器Blackfin 基于由 ADI 和 Intel 公司聯(lián)合開發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)(MSA)，它將一個(gè) 32 位 RISC 型指令集和雙 16 位乘法累加(MAC)信號(hào)處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種匯聚式處理能力的組合使得Blackfin處理器能夠在信號(hào)處理和控制處理應(yīng)用中均發(fā)揮極佳的作用 —— 在許多應(yīng)用中免除了增設(shè)單獨(dú)的異構(gòu)處理器的必要，極大地簡(jiǎn)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)。Blackfin處理器非常適合于滿足會(huì)聚能力起關(guān)鍵作用的嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和功耗約束條件，包括多格式音頻、視頻、語(yǔ)言和圖像處理，多模式基帶和分組處理，控制處理和實(shí)時(shí)安全性。正是這種獨(dú)特的系統(tǒng)架構(gòu)、所具有的設(shè)計(jì)靈活性和可擴(kuò)展性為Blackfin處理器贏得了廣泛的適應(yīng)性，例如數(shù)字家庭娛樂、網(wǎng)絡(luò)和流媒體、汽車遠(yuǎn)程信息處理和信息娛樂、數(shù)字無(wú)線電，以及移動(dòng)電視終端。

　　目前，Blackfin 處理器在單內(nèi)核產(chǎn)品中可提供高達(dá) 756MHz 的性能，還提供了低至 0.8V 的業(yè)界領(lǐng)先的功耗性能，對(duì)于滿足當(dāng)今及未來(lái)的信號(hào)處理應(yīng)用而言，這種高性能與低功耗的組合特征是必不可少的。Blackfin 處理器都為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了十分重要的特性及性能優(yōu)勢(shì)，包括：同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的高性能信號(hào)處理和高效控制處理能力;可確保產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間最小化的易用型混合 16/32 位指令集架構(gòu)和開發(fā)工具套件;豐富的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件模塊資源和內(nèi)置硬件資源(存儲(chǔ)器、PWM單元、廣泛的接口等);實(shí)現(xiàn)器件功耗模式與終端系統(tǒng)要求相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)電源管理能力。所有的 Blackfin 處理器均具有多個(gè)獨(dú)立的 DMA 控制器，這些控制器支持自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，而所需的處理器內(nèi)核開銷極少。此外，Blackfin處理器具有豐富的存儲(chǔ)器配置，可以極大地方便嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。以ADSP-BF51x系列為例，該處理器同時(shí)具有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(chǔ)(FRAM)、SDRAM，還提供了支持Lockbox安全技術(shù)的一次性可編程存儲(chǔ)器。

　　Blackfin 處理器架構(gòu)還完全符合 SIMD 標(biāo)準(zhǔn)，并包括用于加速視頻和圖像處理的指令。該架構(gòu)很適合于全信號(hào)處理/分析能力。 由于具有最佳代碼密度且只需進(jìn)行極少(或者完全不需要進(jìn)行)代碼優(yōu)化處理，因此可縮短產(chǎn)品的 面市時(shí)間，而不會(huì)遇到其他傳統(tǒng)處理器所常見的性能空間障礙。如今，在許多過(guò)去需要同時(shí)采用一個(gè)高性能信號(hào)處理器和一個(gè)單獨(dú)的高效控制處理器的應(yīng)用中，只需采用一個(gè) Blackfin 處理器即可。這種好處極大地縮減了開發(fā)時(shí)間和成本，并最終加快了終端產(chǎn)品的面市進(jìn)程。此外，由于只需采用一組開發(fā)工具，因而減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的初期費(fèi)用和學(xué)習(xí)時(shí)間。

　　操作系統(tǒng)在Blackfin上的組織結(jié)構(gòu)廣泛優(yōu)化的操作系統(tǒng)資源

　　除了硬件平臺(tái)之外，嵌入式操作系統(tǒng)的選擇對(duì)于正在從事新的嵌入式開發(fā)項(xiàng)目的工程師來(lái)說(shuō)同樣重要。對(duì)于Blackfin處理器來(lái)說(shuō)，除了處理器本身的獨(dú)特性能特性優(yōu)勢(shì)外，強(qiáng)大的嵌入式操作系統(tǒng)資源是該處理器獲得廣泛應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵因素。Blackfin處理器支持包括VisualDSP自帶的操作系統(tǒng)內(nèi)核(VDK)、ThreadX、uCLinux和Nucleas等獲得業(yè)界廣泛應(yīng)用的操作系統(tǒng)，避免了工程師在從其它處理器平臺(tái)移植到Blackfin平臺(tái)時(shí)因更改操作系統(tǒng)而延長(zhǎng)終端產(chǎn)品開發(fā)周期。這些操作系統(tǒng)各自具有不同的特性和功能以及具有不同的價(jià)格、版權(quán)費(fèi)用條款。從特性上看，有代碼非常緊湊、復(fù)雜度低的操作系統(tǒng)(VDK)，有復(fù)雜、具有豐富特性的操作系統(tǒng)(如uClinux)，具有極高可靠性的INTEGRITY，專注于汽車市場(chǎng)需求的RTA-OSEK，等等 。下面將對(duì)以下幾類操作系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

　　Blackfin處理器支持的主要操作系統(tǒng)及第三方供應(yīng)商列表。

　　1. ThreadX

　　Express Logic公司的ThreadX是優(yōu)秀的硬實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，具有代碼規(guī)模小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、方便使用等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)解決方案、軍事與航空航天等領(lǐng)域中。Express Logic公司作為全球重要的嵌入式操作系統(tǒng)提供商具有強(qiáng)大的產(chǎn)品研發(fā)能力，從而保證了該操作系統(tǒng)的持續(xù)升級(jí)。最新的ThreadX V5.2版本在小型化的ThreadX 5.1框架基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了系統(tǒng)速度性能，并引入了友好的開發(fā)特性，例如動(dòng)態(tài)事件過(guò)濾、擴(kuò)展的事件跟蹤、SMP增強(qiáng)特性以及降低對(duì)全局存儲(chǔ)器的需求。

　　Express Logic公司與ADI公司建立了深入的合作關(guān)系，針對(duì)ADSP-BF534、ADSP-BF536和ADSP-BF537處理器提供了優(yōu)化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，針對(duì)Blackfin雙內(nèi)核處理器ADSP-BF561開發(fā)了增強(qiáng)版的ThreadX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(ThreadX SMP RTOS)，該產(chǎn)品大大簡(jiǎn)化了開發(fā)商管理在雙內(nèi)核SMP嵌入式處理器上的編程任務(wù)，為Blackfin處理器的雙內(nèi)核提供負(fù)載平衡，縮短了雙內(nèi)核平臺(tái)的開發(fā)過(guò)程(ThreadX SMP版本是消費(fèi)電子應(yīng)用中第一個(gè)真正的多處理器開發(fā)環(huán)境)。ThreadX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可為Blackfin用戶提供實(shí)時(shí)、多線程應(yīng)用，Express Logic的picokernel結(jié)構(gòu)使該產(chǎn)品具有很高的性能和極小的代碼規(guī)模，最小采用4KB的獨(dú)立文件構(gòu)建所有系統(tǒng)服務(wù)。針對(duì)Blackfin處理器優(yōu)化的ThreadX還與ADI公司的VisualDSP++集成開發(fā)環(huán)境(IDE)的無(wú)縫集成，進(jìn)一步優(yōu)化了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。

　　2. uClinux

　　Linux是一種獲得廣泛應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)，在所有主流的嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式Linux無(wú)疑具有非常重要的地位。無(wú)論是其超強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，可任意裁剪以適應(yīng)小巧的嵌入式系統(tǒng)，完全免費(fèi)、通用的Linux API的特點(diǎn)，以及全球擁有數(shù)千萬(wàn)的愛好者所產(chǎn)生的廣泛開放資源，都使其成為嵌入式應(yīng)用中的重要力量。uClinux是針對(duì)微處理器應(yīng)用的Linux系統(tǒng)，完全開放源碼，并針對(duì)嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)對(duì)Linux的內(nèi)核進(jìn)行了修改和重新編譯，內(nèi)核更小。uClinux包含Linux常用的API，保留了原來(lái)Linux操作系統(tǒng)具有的高穩(wěn)定性、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和卓越的文件系統(tǒng)支持功能等優(yōu)點(diǎn)。

　　uClinux操作系統(tǒng)可直接運(yùn)行于Blackfin處理器，對(duì)于很多嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在與Blackfin處理器同等價(jià)位的方案中很少有能支持Linux的。然而，在面向特定的嵌入式應(yīng)用時(shí)，例如內(nèi)存空間有限或需要實(shí)時(shí)確定性以及高安全性能的應(yīng)用，Linux仍存在許多挑戰(zhàn)。工具鏈的改善、不斷演變的標(biāo)準(zhǔn)化努力等，都有助于提升Linux對(duì)于所有嵌入式應(yīng)用的價(jià)值。為此，ADI公司在uClinux里集成了大量硬件驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用例程，包括無(wú)線局域網(wǎng)驅(qū)動(dòng)、音/視頻編解碼器驅(qū)動(dòng)等，從而將幫助客戶非常方便地從原來(lái)的系統(tǒng)移植到Blackfin平臺(tái)上來(lái)。此外，ADI還與全球領(lǐng)先企業(yè)建立了廣泛的合作關(guān)系，為基于Linux的Blackfin嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)提供了大量的優(yōu)化的操作系統(tǒng)應(yīng)用資源。ADI與公認(rèn)的uClinux先驅(qū)Arcturus Networks公司聯(lián)合推出的新型uCBF54x啟動(dòng)開發(fā)工具套件和系統(tǒng)模塊就是這樣的一個(gè)范例。該開發(fā)套件可以加快具有多通道語(yǔ)音、mini PBX或IP視頻能力的嵌入式媒體設(shè)備的開發(fā)過(guò)程，提供的軟件包括開源uClinux BSP(板級(jí)支持包)以及Arcturus語(yǔ)音與管理中間件，包括完整的SIP和RTP堆棧。經(jīng)過(guò)多年積累，Blackfin Linux已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域最為穩(wěn)定的嵌入式Linux發(fā)行包之一。

　　3. μC/OSII

　　μC/OSII作為一個(gè)源碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以支持64個(gè)任務(wù)，同時(shí)支持信號(hào)量、消息隊(duì)列、郵箱等多種常用的進(jìn)程間通信方式。該操作系統(tǒng)程序可讀性強(qiáng)、移植性好、可裁剪，并已在通信、電子、自動(dòng)化等領(lǐng)域的嵌入式設(shè)備中獲得了大量的應(yīng)用。μC/OSII是Blackfin所支持的RTOS之一，在高速的Blackfin處理器上有很強(qiáng)的硬實(shí)時(shí)性能，操作系統(tǒng)中斷響應(yīng)時(shí)間約為110周期(600MHz下約0.18us)，同樣針對(duì)Blackfin處理器的主要目標(biāo)應(yīng)用集成了大量硬件驅(qū)動(dòng)模塊和各種庫(kù)資源。

　　如果上述的操作系統(tǒng)都不能滿足您的目標(biāo)應(yīng)用需求，那么您可以采用隨VisualDSP自帶的操作系統(tǒng)內(nèi)核(VDK)。VDK是一個(gè)小而健壯的內(nèi)核，支持當(dāng)前所有的Blackfin處理器以及未來(lái)可能出現(xiàn)的新Blackfin處理器產(chǎn)品，基于VDK的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能滿足在不同Blackfin處理器之間的API兼容性。更重要的是，使用VDK不需要支付任何額外的成本，無(wú)須支付許可證費(fèi)用或使用費(fèi)，它是作為VisualDSP 的一部分提供的，會(huì)隨著VisualDSP 的升級(jí)而升級(jí)。VDK很好地整合到了VisualDSP中，在項(xiàng)目的靜態(tài)設(shè)置(如線程創(chuàng)建和信號(hào)量)管理非常方便，提供了很多的便利功能，包括線程、優(yōu)先級(jí)、信號(hào)量、消息傳遞、關(guān)鍵域和禁止調(diào)度域等完善的軟件開發(fā)工具環(huán)境

　　隨著嵌入式處理應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜、投放市場(chǎng)的時(shí)間越來(lái)越急迫，完善的開發(fā)環(huán)境變得越來(lái)越重要。除了上述全系列優(yōu)化的嵌入式操作系統(tǒng)外，具有完整的開發(fā)環(huán)境是其受廣泛歡迎的重要原因之一。ADI提供業(yè)界一流的工具、初學(xué)套件與支持，包括熟知的、能夠支持其他Blackfin處理器的ADI CROSSCORE軟件與硬件工具，這些工具包括獲獎(jiǎng)的VisualDSP++集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境、仿真器，以及EZ-KIT Lite評(píng)估版硬件。

　　此外，ADI還為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了大量的系統(tǒng)服務(wù)程序，即為嵌入式系統(tǒng)提供各種常見功能的軟件庫(kù)，這些服務(wù)程序?qū)嶋H上是可用于任何系統(tǒng)的公用程序，既可在未安裝RTOS的獨(dú)立式環(huán)境下運(yùn)行，又可用于VDK環(huán)境。利用這些系統(tǒng)服務(wù)程序，用戶可以便捷、高效地接入Blackfin處理器的硬件子系統(tǒng)，具體而言包括鎖相環(huán)路、直接內(nèi)存存取、中斷控制器、標(biāo)志控制器和定時(shí)器等等。所有Blackfin處理器均采用一套通用的API，各種應(yīng)用和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序均可使用這些系統(tǒng)服務(wù)程序。系統(tǒng)服務(wù)程序中包含的軟件都經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試、穩(wěn)定可靠的，用戶可以輕松直接使用這些程序。利用服務(wù)程序，用戶可以輕松整合這些模塊化軟件。服務(wù)程序?qū)⒇?fù)責(zé)管理硬件資源，因此，將不同開發(fā)人員編寫的兩個(gè)程序塊整合起來(lái)變得輕而易舉。這些服務(wù)程序都與VisualDSP++集成開發(fā)環(huán)境一起提供。

　　為改進(jìn)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(NI)與ADI聯(lián)合推出了專用于ADI Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊，將LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流的開發(fā)環(huán)境擴(kuò)展到高性能、低功耗的Blackfin處理器，通過(guò)無(wú)縫地集成到ADI VisualDSP++開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，極大地方便進(jìn)行快速的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。使用NI LabVIEW嵌入式技術(shù)可以一步到位完成系統(tǒng)建模的硬件在環(huán)測(cè)試和原型設(shè)計(jì)，幫助沒有嵌入式編程經(jīng)驗(yàn)的工程師克服嵌入式開發(fā)過(guò)程中遇到的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)，可以花更少的時(shí)間在細(xì)節(jié)的了解和傳統(tǒng)低層工具的語(yǔ)法上，從而可以把更多的時(shí)間用于設(shè)計(jì)優(yōu)化。這一圖形化的軟件包括140多種Blackfin特有的、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的數(shù)學(xué)、分析和信號(hào)處理函數(shù)，如音頻和視頻DAC、ADC和編解碼器等集成I/O。

　　盡管有優(yōu)化的操作系統(tǒng)可供選擇以及提供無(wú)縫集成的完善開發(fā)工具環(huán)境，但即使對(duì)于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)依然是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作。為幫助企業(yè)更快地利用Blackfin處理器完成優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品面市時(shí)間并降低設(shè)計(jì)成本，ADI還與眾多本地技術(shù)提供商建立了緊密的合作關(guān)系，通過(guò)他們?yōu)槠髽I(yè)提供更具針對(duì)性、貼身的技術(shù)支持。這些第三方機(jī)構(gòu)除了提供針對(duì)特定應(yīng)用的完整參考設(shè)計(jì)外，還提供相應(yīng)的仿真器、集成開發(fā)環(huán)境，以及嵌入式開發(fā)培訓(xùn)等服務(wù)。這些機(jī)構(gòu)包括：嵌入式開發(fā)工具和培訓(xùn)提供商深圳英蓓特(提供ADSP開發(fā)工具 Embest EmLink仿真器 Embest BDT集成開發(fā)環(huán)境);針對(duì)多種應(yīng)用的嵌入式Linux開發(fā)平臺(tái)及OEM板級(jí)硬件方案的華恒科技(HHBF531-StartKit，uCLinux下全套開發(fā)工具集硬件驅(qū)動(dòng)、協(xié)議棧等);提供嵌入式數(shù)字媒體開發(fā)工具的上海德景(DUITEK_BF_DEMO評(píng)估板);等等。

　　應(yīng)用案例——數(shù)碼相框設(shè)計(jì)

　　數(shù)碼相框方案結(jié)構(gòu)圖

　　上圖是上海世勤電子科技有限公司基于Blackfin處理器BF52x系列開發(fā)的數(shù)碼相框產(chǎn)品方案結(jié)構(gòu)圖，該產(chǎn)品具有互聯(lián)網(wǎng)WiFi無(wú)線連接、電子郵件發(fā)送、RSS新聞閱讀、即時(shí)照片分享、全觸摸操作等領(lǐng)先的性能特性。該方案采用了uClinux嵌入式操作系統(tǒng)。作為一款典型的消費(fèi)電子產(chǎn)品，滿足產(chǎn)品高性能要求的低成本實(shí)現(xiàn)方案是選擇的關(guān)鍵，Blackfin可以直接運(yùn)行于uClinux使得方案有效地降低了整體實(shí)現(xiàn)成本，而且極大地方便了將公司以往的設(shè)計(jì)軟件移植到新的系統(tǒng)中。事實(shí)上，在與BF52x處理器相近價(jià)格的同類解決方案中，很少有支持Linux的處理器。

　　正如前面所述，ADI針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用在uClinux操作系統(tǒng)中集成了大量的硬件驅(qū)動(dòng)，包括WiFi驅(qū)動(dòng)、音/視頻編解碼器的驅(qū)動(dòng)等，ADI的Blackfin Linux內(nèi)核/平臺(tái)發(fā)行包內(nèi)提供了大量移植完整的應(yīng)用，為開發(fā)工作帶來(lái)了很大便利。ADI還提供了非常豐富的例程和資料，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了客戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。此外，由于缺少存儲(chǔ)器管理單元(MMU)，內(nèi)存管理歷來(lái)是嵌入式處理器的重點(diǎn)問題之一，在BF52x平臺(tái)上移植Linux應(yīng)用必須修改由于內(nèi)存管理模式不同而帶來(lái)的問題，工作量較大。ADI公司開辟的“EngineerZone”DSP技術(shù)支持論壇(ez.analog.com)讓世勤電子的工程師可以24小時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)利用到ADI全球工程師的智慧，快速而圓滿地幫助解決了所有的技術(shù)難題。