分層結構高速數字信號處理系統的設計與應用
摘要：介紹了一種具有分層結構的高速數字信號處理嵌入式系統，該系統中的不同層次完成了具有不同實時性要求與復雜程度的任務。詳術了基于TMS320VC33的嵌入式系統的實現過程及關鍵技術，最后給出了幾個典型的應用實例。目前，DSP應用系統的研發一般都需要昂貴的專扇開發系統，而且大多是功能與用途特殊的產品且批量小，其成本主要花在長時間研發上。對于民品，時間就是市場占有率和金錢；對于軍品，時間就是戰斗力和生命。分層結構高速數字信號處理嵌入式系統的硬件和軟件都在很大程度上具有通用性，極大地降低了這一類產品的研發難度與研發周期。
1 系統組成
1．1 設計思路
一個工業測控儀表產品首先需要友好的人機界面、實時的數據采集與控制及準實時的高速數字信號處理。DSP專用芯片雖然具有強大的數字信號處理功能，但若用于人機界面設計將事倍功半，若用于強實時控制則極易被一個簡單任務耗盡資源。因此，系統的最佳設計方案是：采用體積小、結構緊湊可靠的PCI04工控機實現人機界面，以高速DSP芯片進行準實時數字信號處理，而強實時信號處理任務由復雜可編程邏輯器件(CPLD)和專用芯片(ASIC)完成。
1．2 分層式的系統結構
根據以上思路，系統宜采用分層式結構，如圖1所示。其中，自定義系統總線(類似于GPIB總線)及接口模塊實現主機(層次一)對多個信號處理模塊(層次二、三)的監控，基于16位ISA并行接口的設計細節參見參考文獻[2]。對于監控主機，在通過了調試階段后，可以用單片機替代之以進一步減小體積重量，降低成本。在信號處理器模塊中，DSP芯片及其RAM與EPROM組成的最小系統構成第二層次，其硬件／軟件都具有通用性。真正與具體產品特定功能有關的是第三層次，它是由CPLD、ASIC芯片或級聯工作的從處理器構成的應用硬件模塊。隨著軟件無線電技術與器件的發展，非通用性功能越來越趨向．于用軟件實現，而應用硬件模塊則主要是高速CPLD、偏速模／數轉換器及數／模轉換器。因此第三層次也具有一定的通用性。
1．3 系統的特點
系統結構分層次后變得比較靈活，便于擴展。對于多通道并行數據處理，如材料分選，可采用多個信號處理器并聯結構；對于單通道高速數據處理，
如雷達脈沖信號分選，可采用多個處理器級聯結構。 分層結構系統的功能強大。第三層次可以處理納秒級事件，如高速脈沖信號的瞬態參數測量；第二層次可以處理微秒、毫秒級事件，如數字濾波及高精度參數估計算法的實現；第一層次可以處理非實時但較復雜，的事件，如實現圖形用戶界面、存盤打印、數據庫管理以及網絡功能等。
第一、二層次在硬件上有完全的通用性，數字信號處理器的基本輸入輸出軟件(DSP-BIOS)及其對應的主機接口軟件也基本上具有完全的通用性，可編程器件的充分利用還可使第三層次在硬件上具有一定的通用性。因此，采用這種結構開發后續產品時，研發工作將越來越容易而且迅捷。
2 硬件／軟件協同設計過程
將上述具有通用性與分層結構的高速數字信號處理系統應用于具體產品設計時，首先要對硬件／軟件功能進行合理的劃分，這實際上是一個硬件／軟件協同設計的過程，如圖2所示。
第一步，確定應用系統具體功能及性能指標要求。
第二步，應用獨立于任何硬件／軟件的功能性規格方法對系統進行描述，如有限態自動機(FSM)、統一化的規格語言(CSP、HDLs、C、…)或其它基于圖形的表示工具。其作用是對硬件／軟件統一表示，便于進行功能的劃分和綜合。
第三步，從系統功能要求和限制條件出發，依據一定的算法，進行硬件／軟件的功能劃分。
第四步，對劃分結果作出評估。一種是性能評估(A)，另一種是對硬件／軟件綜合后的系統依據指令級評價參數作出評估(B)。如果評估結果不滿足要求，需重復第三步，重新劃分硬件／軟件的功能，直至獲得一個最佳的硬件／軟件實現為止。
一個大的科研項目都需要多所做人分工協作，以上所述實際上也是總體上為硬件組與軟件組所做的任務分配。在進行硬件系統基本功能調試的同時，軟件組可以編寫人機界面程序、數據庫操作程序、模擬數據與處理的脫機版程序。由于用規格語言對實際硬件／軟件功能描述存在失真情況，設計階段的硬件／軟件功能劃分也難免有不合理之處，但這可在聯機調試中得以修正。
3 關鍵技術
本文用TI公司的高速處理器芯片TMS320VC33實現通用數字信號處理嵌入式系統。
3．1 DSP-BIOS設計
DSP-BIOS軟件是實現數字信號處理嵌入式系統通用性的關鍵所在。TMS320VC33在微處理器(μP)模式下，復位后即運行DSP-BIOS軟件；如在微計算機(MP)模式下，復位后運行其內部固化的Boot-Loader程序，然后從外部低速RAM或串口讀取DSP-BIOS軟件并調入片內高速CACHE進行全速運行。
一個通用DSP-BIOS軟件應具有以下功能：
· DSP的初始化；
· 最小系統硬件的自檢；
· 與上位機的通信；
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