基于VxWorks的多DSP系统多任务程序设计方案解析

摘要：多DSP信号处理板广泛地运用于工业、军事、通信和医疗等许多方面。本文介绍一种基于VxWorks实时操作系统的ADSP21160的多DSP板设计，以及该板在数字式声纳的实时信号处理系统中的应用，并介绍在VxWorks实时操作系统下的软件算法仿真和实现。
　　关键词：多DSP阵列　声纳系统　VxWorks
　　近年来，计算机产品的应用领域越来越广，数字信号处理器的发展表现得尤为明显。DSP芯片制造商和DSP板开发商利用自身的优势不断开发出多DSP结构的产品来满足这种需求。通常的DSP设备是与嵌入式系统相结合，来实时地完成某一特定任务。随着信号采集速度和处理速度的要求越来越高，许多领域都需要进行多处理器运算，其中包括医学、图像处理、军事、工业控制、电信等许多领域。多处理器系统可以根据所需实现的功能和处理器的性能来调节处理结点的数目，使系统达到最佳的性能价格比。
　　实际上，只有从芯片开始仔细设计，才能方便地实现多处理器系统的调节功能。这里选用的是AD公司新出品的SHARC级处理器ADSP21160。
　　ADSP21160具有很大的片内存储区、多重内部总线结构、独立的I/O子系统；具有构造多处理器系统的所有特点，能够真正支持处理器数目的可调节功能，十分适合组成高性能浮点的多DSP系统。
　　VxWorks是目前世界上用户数量最大的实时操作系统。这使它除了具有优越的技术性能之外，还具有丰富的应用软件支持、良好的技术服务和可靠的系统稳定性。由于它具有以上优点，本系统中选用了VxWorks作为MVME167的操作系统。
　　一、ADSP21160的特点
　　ADSP21160 是AD公司采用超级哈佛结构的一种新产品。21160的汇编代码与2106x兼容，处理器具有SIMD（单指令流多数据流）功能；而2106x只具有SISD（单指令流单数据流）功能。为了充分利用这种新的功能，一些指令做了一些改变。ADSP21160包括1个100/150MHz的运算核、双端片内SRAM、1个支持多处理器的集成在片内的I/O处理器和多重内部总线以消除I/O瓶颈。
　　
　　ADSP21160的汇编源代码与2106x兼容。SIMD计算结构：2个32bit的计算单元，其中每一个单元包括乘法器、ALU、移位寄存器及寄存器文件。具有完备的与外围设备接口功能。包括独立的I/O处理器、4Mbit 的片内双端SRAM、可直接连接的多处理器特性及端口（串口、连接口、外总线及JTAG）。
　　ADSP21160包括2个运算处理单元，具有SIMD功能。处理单元指的是PEX和PEY。PEX始终是有效的，而PEY的有效是通过设置MODE1寄存器中的PEYEN位来实现的。当PEY模式有效时，同一条指令在2个处理器单元中都得到执行，但每一个处理器单元中的操作数不同。
　　SIMD模式在存储区和处理器单元之间的数据传输也是很有作用的。当使用SIMD模式，通过加倍数据带宽来保证处理器单元的操作。在SIMD模式，当使用DAGs来传输数据时，存储区每次访问所传输的是两个数据值。
　　ADSP21160包括4Mbit的片内SRAM，分为两块，每一块2Mbit。可以定义为不同字长的指令和数据存储。每一个存储块的双端口结构可以使存储块独立地被运算核处理和I/O处理器访问。21160的存储区最大可以容纳128K的32bit数据，或256K的16bit数据，或85K的48bit指令，或其他混合字长的数据，但总和最大为4Mbit。所有存储区可以16、32、48、64bit字长的字访问。 外端口支持处理器与片外存储器及外设的接口，片外的4G地址空间属于21160的统一地址空间。
　　外端口支持同步、异步及同步BURST访问。DMA控制器的操作相对处理器运算核是独立和不可见的，即DMA操作可与执行指令同时进行。DMA传输可以在内部存储区与外部存储区、外围设备或主机之间进行。21160共有14个DMA通道，其中：连接口（linkport）占6个；串口占4个；外端口（external port）占4个。21160可以通过DMA传输来下载程序，外围异步设备也可以通过DMA请求/应答线来控制2个DMA通道。
　　21160具有许多特点支持多DSP系统。外端口与连接口支持多处理器系统的直接连接，外端口支持统一的地址空间，允许DSP之间互相访问。片内具有分布式总线仲裁逻辑，最多支持6片21160和主机连接。外端口的最大数据传输率为400MB/s，广播写信号可以同时发送到各片21160。6个连接口提供了另一种方法实现多处理器之间的通信。连接口的最高传输速率为600MB/s。
　　
　　整个系统基于VME总线。VME总线系统作为最早的国际通用开放式总线，自1981年起，经历了近20年的发展。其影响不断扩大，功能不断完善，现已成为性能最好、应用最广的国际总线标准之一。
　　根据设计要求，采用了4片ADSP21160。片外共享内存SRAM可以被主机和各片DSP直接访问；EPROM用来存放初始化程序和各片DSP要运行的程序，在系统上电后这些程序被下载到各片DSP中；LEDs用来显示插件的状态，如reset、normal等。每一片都有1个连接口连到插件的前面板，这样前端采集来的数据就可以很方便地传输到多DSP上，而且也使数据的传输模式更加灵活。