談DSP,MPU,MCU,CPU的區(qū)別 CPU(Centeral Process Unit)這里所說的CPU其實是一個狹義的概念， 特別是近些年P(guān)C的普及，所以一般就是指Intel的X86兼容芯片， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)大家也應該很清楚了，新的只不過是加了些指令集， 超流水線，cache罷了，總的來說是采用封.諾一慢結(jié)構(gòu)，是復雜 指令集。功能嗎就是整數(shù)浮點都很一般，控制也不能達到MCU的水平。 3.MPU(Micro Process Unit)其實和CPU差不多，多半是都是CISC的，也有 部分是RISC的，同CPU一樣，只不過好象更泛泛些。MPU相比，MPU適宜于相 同管理這樣的應用中，以條件判斷為主的應用，以軟件管理的操作系統(tǒng)為核 心的 產(chǎn)品，MPU的設計側(cè)重于不妨礙程序的流程，以保證操作系統(tǒng)支 持功能及轉(zhuǎn)移預測功能等.而DSP側(cè)重于保證數(shù)據(jù)的順利通行，結(jié)構(gòu)盡 量簡單。 4.DSP都是RISC(Reduce Instruction Set Computer)，結(jié)構(gòu)上采用了 增強Harvard，或超級Harvard結(jié)構(gòu)，對于Pipeline的進程要求嚴格， 并行指令應用等。DSP側(cè)重于保證數(shù)據(jù)的順利通行，結(jié)構(gòu)盡量簡單。 特別是盡量少打斷Pipeline。 下面介紹一下DSP的結(jié)構(gòu)： DSP應用不同于主流的嵌入式系統(tǒng)應用，在那些應用中，你可以依賴一個通用的多優(yōu) 先級核心(Kernel)的服務。而在DSP領(lǐng)域，該核心與DSP模塊可能是兩回事，盡管核心都 應 該提供CPU資源、中斷處理、通信機制等。所以，一個有豐富細節(jié)的核心和操作系統(tǒng)通常 是不加以考慮的，因為它 加在緊湊的DSP上實在勉強。開發(fā)者常常自已設計系統(tǒng)軟件框架，作為目標代碼的一部分 一起運行。開發(fā)者甚至沒有意識到自已編寫了一個小型操作系統(tǒng)。 　　可見，這樣的核心/操作系統(tǒng)隨著應用的不同是多種多樣的。也需要有各種核心，支 持從簡單到復雜的應用。至于是自已寫核心或者從別的專業(yè)公司獲得幫助，那是需要在 效 率、緊湊、靈活、擴展性、安全等因素進行折衷考慮的。 2.1　核心的種類 　　一般來說，框架從簡單到復雜分成：單任務和一個中斷服務程序(ISR)、多個互相通 信的任務、多個分時循環(huán)的線程、多優(yōu)先級的結(jié)構(gòu)。 　�。畣稳蝿蘸椭袛喾�務流程ISR(基本核心結(jié)構(gòu)) 　　單任務處理一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)由一個ISR從特定的硬件取得(如AD器件)。系統(tǒng)首 先需要初始化，使能中斷，建立外設的正確狀態(tài)。ISR的編程則應該保護現(xiàn)場，ISR的錯 誤 是調(diào)試很難檢查的。通常一次ISR控制一個數(shù)據(jù)，而主任務需要一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。解決辦 法是雙緩沖結(jié)構(gòu)。主程序 于相同管理這樣的應用中，以條件判斷為主的應用，以軟件管nt 的常見流程是：等待ISR填滿緩沖區(qū)；處理緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，釋放已經(jīng)處理完的緩沖區(qū)。為了 保證實時性，系統(tǒng)至少是雙緩沖，因此主程序處理一個緩沖區(qū)時，ISR正在向另一個緩沖 區(qū)送數(shù)。這種情況下，不需要特別的同步機制，緩沖區(qū)的滿就是同步機制，整個系統(tǒng)除 了 主任務外就無所事事了， 主任務則占用一切DSP資源。故此模式效率非常高。 　�。�通用的任務 　　 系統(tǒng)有一個核心，它可以管理多任務，允許向系統(tǒng)列表加任務來擴展系統(tǒng)，占用如何擴 展 則與應用有關(guān)。首先以一個自動應答機來說明這種擴展，ISR是一個，而多個任務串行執(zhí) 行：音調(diào)檢查、語音識別、話音壓縮等。第一個任務控制CPU的緩沖區(qū)，執(zhí)行完后主動徹 底放棄控制，移交下一個 任務。這種安排使得任務切換開銷很小，因為你完全知道切換時，哪些狀態(tài)需要保存而 哪 些不需要。這種方式的毛病就是任何一個任務失控，整個系統(tǒng)就崩潰了，因為核心沒有 辦 法取得對CPU的控制。 　�。�多個執(zhí)行線程以循環(huán)(round-robin)模式切換 　　對前一種結(jié)構(gòu)的改進是使用一種更安全的任務安排，使各個任務的依賴關(guān)系弱化。 這 需要一個基于時間段的任務切換器，在當前任務用完了規(guī)定時間片后將控制權(quán)移交下一 個 任務。在循環(huán)結(jié)構(gòu)中，各個任務是平等的機會。這樣CPU不會在為一個壞的任務而癱瘓， 當然，安全的代價是你 無法準確知道任務切換在什么時候發(fā)生，于是某個線程進入時的現(xiàn)場保護必須保護該線 程 要使用的所有寄存器，并且在退出線程時全部恢復。 　．循環(huán)(round-robin)線程與協(xié)作序列的組合 n)線程與協(xié)作序列的組合中，以條件判斷為主的應用，以軟件管nt 　　當處理一個較復雜但每個通路的處理是相同的時候，如語音信箱，無線基站，PXB等 。可以將多個通路按照通用的多任務方式處理，而每個任務內(nèi)以循環(huán)線程組成，每個任 務 是安全的，也就保證了整個系統(tǒng)的安全的。 　�。�通用的解決：多優(yōu)先組結(jié)構(gòu) 　　這是靈活性最強的方式，廣泛應用于浮點和定點DSP系統(tǒng)。多優(yōu)先級可以認為是循環(huán) 方式的一種增強版，在資源可用時，高優(yōu)先級的線程會被執(zhí)行。多優(yōu)先級核心應該小心 使 用，因為很難確定實時執(zhí)行序列，特別是如果還允許動態(tài)改變優(yōu)先級的話，調(diào)試更加困 難 。而且核心本身占用的C PU資源對定點DSP而言是相當大的開銷。 　　除了這些缺點，本結(jié)構(gòu)是某些應用的理想選擇。比如，系統(tǒng)中的任務有的是時間苛 刻 的(高優(yōu)先級)，有些是可以后臺運行的(低優(yōu)先級)，比如在蜂房電話中，DSP要迅速及時 處理帶內(nèi)信號信令，對用戶的按鍵則可以較慢地響應。隨著DSP和MCU的功能上進一步集 成 ，這種應用會越來越多 。 2.2　其他性能綜述 　　．現(xiàn)場保護 　　任務切換中的現(xiàn)場保護(上下文保護)是影響性能的一個重要因素，它與中斷響應時 延 是矛盾的，在任務列表被訪問和管理期間，中斷通常需要禁止。所以，任務機制越復雜 ， 中斷需要的時延越大。注意，在DSP領(lǐng)域，實時中斷常處理幾十kHz的信號，對中斷響應 需 要的時延是很敏感的。 　　．實時與非實時 　�。畬崟r與非實時obin)線程與協(xié)作序列的組合中，以條件判斷為主的應用，以軟件管 nt 　　對于基于核心的系統(tǒng)進行調(diào)試，將系統(tǒng)作為一個整體來調(diào)試需要滿足兩個基本要求 ： 需要系統(tǒng)全速運行時可以觀察和管理系統(tǒng)；需要知道每次觀察時影響的上下文。為達到 此 要求系統(tǒng)必須增加額外開銷。 　　DSP設計者并非處處需要實時調(diào)試工具，模塊的很多部分可以單步調(diào)試。但是，大部 分問題(bug)都是整個系統(tǒng)全速運行時暴露出來的。Go-DSP的調(diào)試工具Code Composer的 優(yōu) 越是在系統(tǒng)全速運行時仍然可以觀察和修改狀態(tài)。實時調(diào)試是需要代價的，需要有Debug Agent伴隨應用代碼，占用了CPU部分資源，當然在最終產(chǎn)品上，Debug Agent是完全去掉 的。 3　實時操作系統(tǒng)RTOS與DSP應用的結(jié)合 3.1　用于嵌入式微處理器的傳統(tǒng)的實時多任務操作系統(tǒng) 　　目前的趨勢是一個微處理器MCU從單一任務結(jié)構(gòu)變成多任務的結(jié)構(gòu)，初期軟件設計是 在應用中增加一個任務調(diào)用循環(huán)作為主程序，隨著軟件規(guī)模上升和對實時性要求的提高 ， RTOS作為一種軟件開發(fā)平臺，成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的主流。 　　RTOS是一段MCU啟動后首先執(zhí)行的背景程序，貫穿系統(tǒng)運行的始終。RTOS的引入會增 加系統(tǒng)的代碼存儲器占用和運行時間。RTOS主要的性能指標是存儲器占用、最小任務切 換 時間、最大中斷延時。這三個指標與RTOS自身的設計、微處理器的設計、C語言編譯器的 性能有關(guān)。 3.2　實時操作系統(tǒng)RTOS與DSP結(jié)合 　　DSP軟件開發(fā)越來越復雜，開發(fā)者會發(fā)現(xiàn)自已在兩個矛盾的方向努力，一方面，設計 者必須對底層代碼優(yōu)化以滿足實時應用，同時由于系統(tǒng)越來越復雜，需要高層次的設計 手 段，包括使用庫和第三方軟件包。 　　對DSP應用提供RTOS支持，是DSP的性能和功能日益增加的必然結(jié)果。DSP正在從高速 數(shù)學引擎轉(zhuǎn)變?yōu)榘�含主流控制器具有的特性的芯片，因此需要DSP設計人員集中精力解決 應用問題，而不是重復實施系統(tǒng)級功能。 　　DSP系統(tǒng)一般是兩個極端，簡單的單片DSP設計，用于Modem或峰房電話等。另一種是 高性能的多處理器DSP系統(tǒng)，用于大批輸入流的實時處理。對于高檔多處理器DSP系統(tǒng)設 計 ，有四個可能影響性能的主要因素：通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流(流水線或星形)；主系統(tǒng)總線(VM E或PCI總線)；RTOS的性 能，多DSP系統(tǒng)中，RTOS在每個DSP上運行于嵌入式模式，RTOS提供所需要的數(shù)據(jù)流和處 理 性能，同時又允許主處理器繼續(xù)在其固有模式(Win 95/NT/Solaris)中操縱整個系統(tǒng)；處 理來自A/D陣列的輸入流的接口設計，最好方法是使A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)與系統(tǒng)其余部分有效 隔 離。 　　選擇RTOS的關(guān)鍵考慮因素： 　�。�保證其可靠性足以應付DSP負載。 　　．支持與NT或Unix主系統(tǒng)的互操作性。 　。�嵌葨V 操作核心要足夠小，?應于有限的DSP存儲空間。 　�。�有面向DSP的高級指令集，便于迅速編程。 　　．必要時可以對低級程序碼手動優(yōu)化。 　嵌入式RTOS的主要功能是為DSP之間的實時協(xié)調(diào)與通信提供一個標準化的環(huán)境，包括 中斷處理和存儲區(qū)分配等，以及和主機OS握手的所有功能。RTOS運行于DSP之上，所以必 須很小，還應該能進行分布操作和DSP任務的并行編程。RTOS的結(jié)構(gòu)應該使程序員很容易 把單DSP任務變成分裂模式 把單DSP任務變成分裂模式 足實時應用，同時由于系統(tǒng)?來越復雜，需要高層次的設計 手t ，即能運行于多個DSP。RTOS應該能支持順暢地把任務分攤。面向DSP的嵌入式RTOS的主 要 功能是：多任務；動態(tài)進程；同步消息傳遞；信號機；時鐘管理；等等�？傊�，目標是 最 小的運行開銷和最大的硬件控制能力。 　　作為Eonic公司的Virtuoso，可以用于浮點和定點DSP。用于TI C4x和ADSP1060的版本的差別是有特殊的通信端口，便于多處理器系統(tǒng)的硬件開發(fā)。通過 提供透明的多處理，使軟件開發(fā)也容易。Virtuoso對于單DSP的應用也提供了很多優(yōu)越性 ，從一開始開發(fā)，你就有一個完全的多任務環(huán)境，這就意味著你可以將應用分成幾個小 的 任務，更便于編程。有一 套完整的工具用于任務間通信，任務同步，管理存儲區(qū)和定時器，中斷管理。提供了一 個 ISR1層支持嵌套中斷。而TI缺省的ISR0層的中斷服務中是不允許被中斷的。如果系統(tǒng)中 有 突發(fā)性的中斷發(fā)生，就有可能丟中斷。Virtuoso的ISR1層提供了可嵌套的中斷機制，且 響 應速度與ISR0相當。多 任務機制使設計人員能夠充分發(fā)揮DSP的能力，因為可以使DSP是100%的忙碌，否則DSP可 能為了等待某個事件發(fā)生而處于空閑。特別是采用TMS320C6201，不使用RTOS是無法充分 發(fā)揮其性能的。Virtuoso的另一個優(yōu)點是可移植性，編寫的C代碼可以使用到Virtuoso支 持的任何DSP。 　　用于DSP的RTOS對加快開發(fā)進度、提供高級功能調(diào)用和標準的I/O庫是非常有用的。 許 多RTOS支持多任務并包含DSP庫，使用它有助于可移植性和可維護性。另一方面，RTOS要 占用處理器的開銷，耗費本來可用于信號處理的DSP周期。如果是對于單處理器，支持多 任務的開銷可能會很可觀 。另外，成本也是要考慮的因素。