嵌入式系統的目的是提供一個以多任務和網絡為信心,易于開發的復雜數字系統。從數字技術和信息技術的角度看,嵌入式系統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。

使用嵌入式系統技術,不僅可以實現硬件和軟件的優化集成,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展的角度看,嵌入式系統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”化發展的新階段,因此,嵌入式系統在計算機應用具有里程碑的意義。

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

以DSP為核心的嵌入式系統

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

　　嵌入式系統的發展,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。對于嵌入式系統來說,核心是具有數據處理和系統管理能力的計算機系統,因此,只要是以處理器系統為核心的器件,都可以形成嵌入式系統。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,并且可以充分發揮DSP器件在數據處理方面的優勢,改善嵌入式系統的實時操作特性。

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

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)指令執行采用流水作業（pipeline）,具有較高的指令執行速度。

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。

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實現大型和復雜嵌入式系統提供了技術基礎。

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或設備相互兼容。

3）開發方便,可以靈活地通過軟件對系統的特性和應用目標進行修改和升級。

4）具有良好的系統健壯性,受環境溫度以及噪聲的影響較小、可靠性高。

5）易于實現系統集成或使用SOC技術,可以提供高度的規范性。

　　以DSP器件為核心的嵌入式系統基本硬件結構

　　典型的DSP嵌入式系統構成如圖1所示。

　　在圖1中,網絡通信接口不僅提供了DSP嵌入式系統的網絡通信硬支持,同時也提供了通過網絡開發嵌入式系統的技術條件。在DSP嵌入式系統中,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展,要求嵌入式系統中的網絡接口必須能滿足不同開發系統的要求,因此除了包含IEEE1394-2（USB火線）外,還應當包含有傳統的RS232和IEEE488接口,以及以太網接口和相應的TCP/IP協議。

　　從圖1可以看出,如果不考慮用戶應用電路,則DSP嵌入式系統就可以形成一個獨立的通用高速數據處理系統,這個高速數據處理系統不僅具有數據處理、可編程開發和多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嵌入式系統和PLC形成的工業控制系統基本結構。從圖2可以看出,如果DSP嵌入式系統的資源不能滿足系統要求時,可以采用附加DSP系統或增加一個完整的DSP嵌入式系統的方法加以解決,而不需要從系統結構上進行大的改動。

DSP嵌入式系統的應用特性

　　DSP嵌入式系統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,在系統中嵌入DSP的目的,就是為了增強系統的信息處理能力。因此,DSP嵌入式系統與微處理器嵌入式系統在應用特性上有很大的不同。

并行操作

　　為了提高系統的數據和信息處理能力,DSP嵌入式系統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中,并行算法的實現往往比較復雜,而對于DSP嵌入式系統,由于系統中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。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嵌入式系統資源,提高系統的性能和技術指標,又可以降低系統的整體成本。

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操作命令所需要的數據流量。如果系統中有幾個這樣的終端,則會使數據處理流量遠大于DPS系統所具有的處理能力。因此,一般采用DSP嵌入式系統,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,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。嵌入式系統中可以采用微處理器、單片機或DSP,其中DSP嵌入式系統不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統的優點和技術特性,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,為實現系統的實時性提供了有力的支持。

　　與傳統的單片機系統（即單板機、PC機等）相比較,嵌入式系統更有利于網絡應用和智能系統應用,由于嵌入式系統可以實現單片機,因此使得嵌入式系統幾乎可以用于任何一種數字系統應用場合。嵌入式系統,特別是DSP單片機系統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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