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| -- 作者：wangxinxin -- 發布時間：2010-11-13 12:21:11 -- 談DSP,MPU,MCU,CPU的區別 談DSP,MPU,MCU,CPU的區別 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PC的普及，所以一般就是指Intel的X86兼容芯片， 內部結構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.諾一慢結構，是復雜 指令集。功能嗎就是整數浮點都很一般，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為核 心的 產品，MPU的設計側重于不妨礙程序的流程，以保證操作系統支 持功能及轉移預測功能等.而DSP側重于保證數據的順利通行，結構盡 量簡單。 4.DSP都是RISC(Reduce Instruction Set Computer)，結構上采用了 增強Harvard，或超級Harvard結構，對于Pipeline的進程要求嚴格， 并行指令應用等。DSP側重于保證數據的順利通行，結構盡量簡單。 特別是盡量少打斷Pipeline。 下面介紹一下DSP的結構： DSP應用不同于主流的嵌入式系統應用，在那些應用中，你可以依賴一個通用的多優 先級核心(Kernel)的服務。而在DSP領域，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，一個有豐富細節的核心和操作系統通常 是不加以考慮的，因為它 加在緊湊的DSP上實在勉強。開發者常常自已設計系統軟件框架，作為目標代碼的一部分 一起運行。開發者甚至沒有意識到自已編寫了一個小型操作系統。 可見，這樣的核心/操作系統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、多個分時循環的線程、多優先級的結構。 ．單任務和中斷服務流程ISR(基本核心結構) 單任務處理一個數據緩沖區，數據由一個ISR從特定的硬件取得(如AD器件)。系統首 先需要初始化，使能中斷，建立外設的正確狀態。ISR的編程則應該保護現場，ISR的錯 誤 是調試很難檢查的。通常一次ISR控制一個數據，而主任務需要一個數據緩沖區。解決辦 法是雙緩沖結構。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；處理緩沖區數據，釋放已經處理完的緩沖區。為了 保證實時性，系統至少是雙緩沖，因此主程序處理一個緩沖區時，ISR正在向另一個緩沖 區送數。這種情況下，不需要特別的同步機制，緩沖區的滿就是同步機制，整個系統除 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 系統有一個核心，它可以管理多任務，允許向系統列表加任務來擴展系統，占用如何擴 展 則與應用有關。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 行：音調檢查、語音識別、話音壓縮等。第一個任務控制CPU的緩沖區，執行完后主動徹 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，整個系統就崩潰了，因為核心沒有 辦 法取得對CPU的控制。 ．多個執行線程以循環(round-robin)模式切換 對前一種結構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定時間片后將控制權移交下一 個 任務。在循環結構中，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生，于是某個線程進入時的現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(round-robin)線程與協作序列的組合 n)線程與協作序列的組合中，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，而每個任務內以循環線程組成，每個任 務 是安全的，也就保證了整個系統的安全的。 ．通用的解決：多優先組結構 這是靈活性最強的方式，廣泛應用于浮點和定點DSP系統。多優先級可以認為是循環 方式的一種增強版，在資源可用時，高優先級的線程會被執行。多優先級核心應該小心 使 用，因為很難確定實時執行序列，特別是如果還允許動態改變優先級的話，調試更加困 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，本結構是某些應用的理想選擇。比如，系統中的任務有的是時間苛 刻 的(高優先級)，有些是可以后臺運行的(低優先級)，比如在蜂房電話中，DSP要迅速及時 處理帶內信號信令，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 ．現場保護 任務切換中的現場保護(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 ．實時與非實時obin)線程與協作序列的組合中，以條件判斷為主的應用，以軟件管 nt 對于基于核心的系統進行調試，將系統作為一個整體來調試需要滿足兩個基本要求 ： 需要系統全速運行時可以觀察和管理系統；需要知道每次觀察時影響的上下文。為達到 此 要求系統必須增加額外開銷。 DSP設計者并非處處需要實時調試工具，模塊的很多部分可以單步調試。但是，大部 分問題(bug)都是整個系統全速運行時暴露出來的。Go-DSP的調試工具Code Composer的 優 越是在系統全速運行時仍然可以觀察和修改狀態。實時調試是需要代價的，需要有Debug Agent伴隨應用代碼，占用了CPU部分資源，當然在最終產品上，Debug Agent是完全去掉 的。 3 實時操作系統RTOS與DSP應用的結合 3.1 用于嵌入式微處理器的傳統的實時多任務操作系統 目前的趨勢是一個微處理器MCU從單一任務結構變成多任務的結構，初期軟件設計是 在應用中增加一個任務調用循環作為主程序，隨著軟件規模上升和對實時性要求的提高 ， RTOS作為一種軟件開發平臺，成為嵌入式系統領域的主流。 RTOS是一段MCU啟動后首先執行的背景程序，貫穿系統運行的始終。RTOS的引入會增 加系統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。 3.2 實時操作系統RTOS與DSP結合 DSP軟件開發越來越復雜，開發者會發現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化以滿足實時應用，同時由于系統越來越復雜，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果。DSP正在從高速 數學引擎轉變為包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級功能。 DSP系統一般是兩個極端，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，用于大批輸入流的實時處理。對于高檔多處理器DSP系統設 計 ，有四個可能影響性能的主要因素：通過系統的數據流(流水線或星形)；主系統總線(VM E或PCI總線)；RTOS的性 能，多DSP系統中，RTOS在每個DSP上運行于嵌入式模式，RTOS提供所需要的數據流和處 理 性能，同時又允許主處理器繼續在其固有模式(Win 95/NT/Solaris)中操縱整個系統；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轉換子系統與系統其余部分有效 隔 離。 選擇RTOS的關鍵考慮因素： ．保證其可靠性足以應付DSP負載。 ．支持與NT或Unix主系統的互操作性。 。度朧 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化。 嵌入式RTOS的主要功能是為DSP之間的實時協調與通信提供一個標準化的環境，包括 中斷處理和存儲區分配等，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的結構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?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；動態進程；同步消息傳遞；信號機；時鐘管理；等等。總之，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，便于多處理器系統的硬件開發。通過 提供透明的多處理，使軟件開發也容易。Virtuoso對于單DSP的應用也提供了很多優越性 ，從一開始開發，你就有一個完全的多任務環境，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。如果系統中 有 突發性的中斷發生，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生而處于空閑。特別是采用TMS320C6201，不使用RTOS是無法充分 發揮其性能的。Virtuoso的另一個優點是可移植性，編寫的C代碼可以使用到Virtuoso支 持的任何DSP。 用于DSP的RTOS對加快開發進度、提供高級功能調用和標準的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。 |