當今的嵌入式應用已經(jīng)無處不在,無論是消費電子、通信終端,還是系統(tǒng)設備、工業(yè)控制、汽車電子系統(tǒng)或航空航天,都無處不見嵌入式應用的身影?,F(xiàn)在,全球每年生產(chǎn)數(shù)十億顆微處理器,其中大部分都被廣泛應用于各類嵌入式系統(tǒng)。
目前,在嵌入式系統(tǒng)硬件平臺方面,各種微控制器以及數(shù)字信號處理器(DSP)產(chǎn)品,無論從品牌、功能特性方面,還是針對目標應用的成本、處理能力、功耗要求、集成度、開發(fā)周期、技術難度等具體要求,都可以精心選擇出最具綜合優(yōu)勢的硬件核心平臺。而在嵌入式操作系統(tǒng)方面,無論是開放源代碼的Linux陣營的各種商業(yè)版本或免費版本,還是WinCE、vxWorks等“重量級”平臺,抑或針對特定應用優(yōu)化的Windows Mobile、Symbian、Android等,也同樣可以方便地選擇一款最佳的操作系統(tǒng)軟件平臺。
嵌入式系統(tǒng)的設計過程實際上就是一個軟硬件聯(lián)合協(xié)同開發(fā)的過程。在進行軟硬件平臺選擇評估時,單純地離開硬件去評估操作系統(tǒng)或離開操作系統(tǒng)評估硬件平臺都有失偏頗,特別是對于很多非通用處理器來說尤其如此。當前很多嵌入式硬件平臺都提供有針對目標應用優(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)也針對主流的硬件平臺進行了優(yōu)化設計,而且提供了眾多的第三方優(yōu)化操作系統(tǒng)版本。這些資源對于嵌入式系統(tǒng)設計來說具有重要的意義。為此,本文介紹了一種獨特的嵌入式平臺核心處理器,即匯聚式處理器Blackfin及其主流配套操作系統(tǒng)和相關資源的應用與設計方法,給出了用其設計嵌入式數(shù)碼相框的設計方案。
1 硬件處理器Blackfin的選擇
本設計選用匯聚式處理器Blackfin來構建獨特的嵌入式硬件平臺。匯聚式處理器Blackfin是由ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(MSA),它集32位RISC型指令集、雙16位乘法累加(MAC)信號處理功能和通用型微控制器所具有的易用性于一體,這種匯聚式處理能力的組合使得Blackfin處理器能夠在旗號處理和控制應用中均發(fā)揮極佳的作用,并可在許多應用中免除增設單獨的異構處理器的必要,因而極大地簡化了硬件和軟件設計。Blackfin處理器非常適合于以會聚為關鍵技術的嵌入式音頻、視頻、通信應用,包括多格式音頻、視頻、語言和圖像處理,多模式基帶和分組處理,控制處理和實時安全性處理等。正是這種獨特的系統(tǒng)架構所具有的設計靈活性和可擴展性為Blackfin處理器贏得了廣泛的適應性,也使其廣泛應用于數(shù)字家庭娛樂、網(wǎng)絡和流媒體、汽車遠程信息處理和信息娛樂、數(shù)字無線電,以及移動電視終端。
Blackfin處理器在單內(nèi)核產(chǎn)品中可提供高達756MHz的性能,以及低至0.8V的低功耗電壓。所有的Blackfin處理器均具有多個獨立的DMA控制器,這些控制器可支持自動數(shù)據(jù)傳輸,而且其所需的處理器內(nèi)核開銷極少。此外,Blackfin處理器還具有豐富的存儲器配置,可以極大地方便嵌入式系統(tǒng)的應用開發(fā)。其中ADSP-BF51x系列處理器就同時具有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(FRAM)、SDRAM,同時還提供有支持Lockbox安全技術的一次性可編程存儲器。
Blackfin處理器架構完全符合SIMD標準,并帶有用于加速視頻和圖像處理的指令。該架構很適合于全信號處理/分析應用。由于Blackfin處理器具有最佳的代碼密度且只需進行極少(或者完全不需要進行)代碼優(yōu)化處理,因而不會遇到其他傳統(tǒng)處理器所常見的性能空間障礙。
2 uCLinux操作系統(tǒng)的選擇
嵌入式操作系統(tǒng)的選擇對于正在從事新的嵌入式開發(fā)項目來說,它與選擇嵌入式硬件微處理器同樣重要。對于Blackfin處理器來說,除了處理器本身的獨特性能特性優(yōu)勢外,強大的嵌入式操作系統(tǒng)資源也是嵌入式系統(tǒng)設計的一個關健因素。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等操作系統(tǒng),這一特性可避免將操作系統(tǒng)從其它處理器平臺移植到Blackfin平臺時,因更改操作系統(tǒng)而延長的終端產(chǎn)品開發(fā)周期。各種操作系統(tǒng)各自都具有不同的特性功能以及不同的價格、版權費用等條款。從特性上看,嵌入式操作系統(tǒng)有代碼緊湊、復雜度低的操作系統(tǒng)VDK,也有復雜而具有豐富特性的操作系統(tǒng)uClinux,同時具有可靠性極高的INteGRI TY,以及專注于汽車市場需求的RTA-OSEK等。通過對各種操作系統(tǒng)的功能分析,本設計最終選擇了uCLinux操作系統(tǒng)來進行數(shù)碼相框的設計。圖1所示是其操作系統(tǒng)在Blackfin上的組織結(jié)構。
圖1 操作系統(tǒng)在Blackfin上的組織結(jié)構
Linux是一種獲得廣泛應用的嵌入式操作系統(tǒng),在所有主流的嵌入式系統(tǒng)中,Linux操作系統(tǒng)無論是其超強的網(wǎng)絡功能、可任意裁剪、完全免費和通用的Linux API特點,以及廣泛的開放資源,都使其成為嵌入式應用中的重要力量。uClinux是針對微處理器應用的Linux系統(tǒng),源碼完全開放,同時針對嵌入式應用的特點,uClinux對Linux的內(nèi)核進行了修改和重新編譯,因而內(nèi)核更小。uClinux也包含Linux常用的API,并保留了原來Linux操作系統(tǒng)具有的高穩(wěn)定性、強大的網(wǎng)絡功能和卓越的文件系統(tǒng)支持功能。
uClinux操作系統(tǒng)可直接運行于Blackfin處理器。對于很多嵌入式應用來說,在與Blackfin處理器同等價位的方案中,很少有能支持Linu x的。事實上,在面向特定的嵌入式應用時(例如內(nèi)存空間有限或需要實時確定性的高安全性應用),Linux仍然存在許多挑戰(zhàn)。而本設計的主要特點之一,是其所選擇的ADI公司的Blackfin處理器已在uClinux里集成了大量的硬件驅(qū)動和應用例程,其中包括無線局域網(wǎng)驅(qū)動、音/視頻編解碼器驅(qū)動等,這些驅(qū)動可幫助客戶非常方便地將應用程序從原來的系統(tǒng)移植到Blackfin平臺上來。此外,ADI與Arcturus Networ ks公司還聯(lián)合推出了新型uCBF54x啟動開發(fā)工具套件和系統(tǒng)模塊。該開發(fā)套件提供的軟件包括開源uCliunx BSP(板級支持包)以及Arcturus語音與管理中間件,同時包含完整的SIP和RTP堆棧。因此可以說,Blackfin Linux已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)領域最為穩(wěn)定的嵌入式Linux發(fā)行包之一。
3 軟件開發(fā)工具環(huán)境
隨著嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品應用越來越復雜、產(chǎn)品投放市場的時間越來越急迫,完善的開發(fā)環(huán)境也變得越來越重要。除了全系列優(yōu)化的嵌入式操作系統(tǒng)外,具有完整的開發(fā)環(huán)境也是其嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要因素之一。為此,ADI也提供有能夠支持其他Blackfin處理器的ADI CROSSCO RE軟件與硬件工具,這些工具包括VisualDSP++集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境、仿真器,以及EZ-KIT Lite評估版硬件等。
此外,ADI也為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了大量的系統(tǒng)服務程序,例如為嵌入式系統(tǒng)提供了各種常見功能的軟件庫,這些服務程序?qū)嶋H上就是可用于任何系統(tǒng)的公用程序,它們既可在未安裝RTOS的獨立式環(huán)境下運行,又可用于VDK環(huán)境。利用這些系統(tǒng)服務程序可以便捷、高效地接入Blackfin處理器的硬件子系統(tǒng),包括鎖相環(huán)路、直接內(nèi)存存取、中斷控制器、標志控制器和定時器等。所有的Blackfin處理器均可采用一套通用的AM,各種應用和設備驅(qū)動程序也均可使用這些系統(tǒng)服務整序。這些系統(tǒng)服務程序中包含的軟件都已經(jīng)經(jīng)過反復測試,而且性能穩(wěn)定可靠,設計時可以直接使用這些程序。此外,利用這些服務程序,也可以輕松整合這些模塊化軟件,實際上,這些服務程序都是與VisualDSP++集成開發(fā)環(huán)境一起提供的。
為了改進應用開發(fā)環(huán)境,設計時可以用美國國家儀器有限公司(NI)與ADI聯(lián)合推出的專用于ADI Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊,來將LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流的開發(fā)環(huán)境擴展到高性能、低功耗的Blackfin處理器,以便通過無縫地將其集成到ADI VisualDSP++開發(fā)和調(diào)試環(huán)境來快速地開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。使用NI LabVIEW嵌入式技術可以一步到位完成系統(tǒng)建模的硬件在線測試和原型設計。這一圖形化的軟件包括140多種Blackfin特有的、經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)學、分析和信號處理函數(shù),比如音頻和視頻DAC、ADC以及編解碼器等集成I/O.
4 嵌入式數(shù)碼相框的設計
圖2所示是一種基于Blackfin處理器BF52x開發(fā)的嵌入式數(shù)碼相框的功能圖,該產(chǎn)品具有互聯(lián)網(wǎng)WiFi無線連接、電子郵件發(fā)送、RSS新聞閱讀、即時照片分享、全觸摸操作等功能特性。本設計采用uClinux嵌入式操作系統(tǒng)。作為一款典型的消費電子產(chǎn)品,Blackfin可以直接運行于uClinux,這使得該設計能夠有效地降低整體成本,并可十分方便地將以往的設計軟件移植到新的系統(tǒng)中。事實上,在與BF52x處理器相近價格的同類解決方案中,目前還很少有支持Linux的處理器。
圖2數(shù)碼相框的設計方案框圖
基于Blackfin處理器BF52x開發(fā)的嵌入式數(shù)碼相框的功能十分齊全,因此,設計時可以根據(jù)產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本要求進行取舍。圖3所示是一種基于Blackfin處理器BF52x設計的、功能相對比較簡單的數(shù)碼像框的硬件結(jié)構圖。
圖3 簡單的數(shù)碼像框的硬件結(jié)構圖
由于Blackfin處理器BF52x,自身就帶有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(FRAM)、SDRAM等存儲器,因此,在需要進一步外擴存儲器時,完全可以利用其自身固有的應用程序,另外,如果希望使該數(shù)碼像框同時帶有音頻功能,也可以很容易的將NI公司LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流開發(fā)環(huán)境擴展到高性能、低功耗的Blackfin處理器,再通過音頻和視頻DAC、ADC以及編解碼器等集成I/O,將存儲單元中的圖像文件中的音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號,然后通過音頻系統(tǒng)還原成聲音輸出。至于USB接口和圖片數(shù)據(jù)文件的輸出顯示,無論是硬件還是軟件驅(qū)動程序,目前都十分成熟而且簡單。
5 結(jié)束語
本文利用ADI公司的匯聚式處理器Blackfin作為嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺,并采用uClinux為操作系統(tǒng),同時采用ADI針對目標應用在uClinux操作系統(tǒng)中集成的大量硬件驅(qū)動(包括WiFi驅(qū)動、音/視頻編解碼器的驅(qū)動等)程序,給出了一種具有互聯(lián)網(wǎng)WiFi無線連接、電子部件發(fā)送、RSS新聞閱讀、即時照片分享、全觸摸操作等功能的嵌入式電子數(shù)碼相框的設計方案。事實上,由于本系統(tǒng)缺少存儲器管理單元(MMU),內(nèi)存管理仍是嵌入式處理器需要進一步解決的問題之一,這樣,在BF52x平臺上移植Linux應用就仍然必須修改由于內(nèi)存管理模式不同而帶來的問題,而且工作量較大。這一點仍然是今后需要解決的一個技術問題。