摘 要： 針對遠程監控的實際需要，介紹了基于title="ARM">ARM微處理器S3C2410A和DSP數字信號處理器TMS320C6211雙核結構監控系統的設計方案。闡述了該系統的組成結構與軟硬件設計，系統主從設備單元之間通過I/O口與HPI接口實現通信。該系統具有性能高、功耗低、實時性好、可擴展性強及工作穩定可靠等優點。
關鍵詞： DSP；ARM；通信
隨著計算機技術、網絡技術和大規模集成電路技術的發展，通過網絡方式實現遠程實時監控和檢測物理環境逐漸成為現實和研究的熱點。同時，嵌入式設備功耗低、實時性強等特點，為需要利用設備對現場進行數據采集和實時監控等諸多場合提供可靠的支持。
本文設計了基于ARM和DSP的雙核嵌入式監控系統，該系統可以實時采集物理環境的數據信息并可通過網絡傳輸到終端以得到即時處理。系統以ARM芯片為主設備單元處理器，完成各種控制和網絡功能，以DSP芯片作為從設備單元處理器，完成數據采集和分析處理，ARM單元和DSP單元構成監控系統的雙核架構。該系統通過自主運行采集和分析處理被監控區域的物理信息，依據實際需求將數據傳輸到網絡或做出如報警、跳閘等即時處理，實現對被檢測區域的物理事件的實時監控與檢測。
1 系統的設計方案
檢測被監控環境中物理信息的傳統監控設備，一般采用單核DSP處理器結構，系統設計較為復雜，穩定性不高。本設計采用ARM與DSP雙核結構，通過系統主從兩個設備單元的硬件通信接口的設計和軟件通信的設計，將32位嵌入式微處理器ARM與數字信號處理器DSP相結合，以充分利用雙核處理器的優勢。ARM系統單元采用經過裁剪的Linux嵌入式實時操作系統，實現整個設備系統的協調控制和網絡功能等；DSP單元通過檢測算法的移植，實現數據的采集分析、處理和數據傳輸。
該雙核設備系統中，ARM系統作為主設備單元實現各控制功能，向DSP單元發出控制指令，通過硬件接口接收DSP采集的數據；DSP系統作為從設備單元，搜集、分析和處理傳感器或CCD等外設獲取的物理數據，并向主設備單元發送有效信息。其中，ARM和DSP之間數據交換的速度決定了整個系統的運行速度和性能。
2 系統硬件設計
2.1 系統整體結構組成
監控系統主要由兩部分組成：ARM微處理器主設備單元和DSP數據處理器從設備單元。系統結構組成如圖1所示。為提高主從設備單元之間的數據交換速度從而有效提高系統的運行性能，主處理器采用Samsung公司的ARM9內核芯片S3C2410A[1]，從處理器采用TI公司的TMS320C6211 DSP芯片[2]。
S3C2410A主頻為200 MHz～266 MHz，數據處理速度為1.1 MIPS/MHz，其性能出色，片內外資源豐富、視頻處理功能優秀、功耗低、外設接口豐富，可以滿足多種設備外接的需求。TMS320C6211工作頻率可達167 MHz，數據處理速度可達1 333 MIPS。TMS320C6211已經廣泛應用于視頻檢測卡中，可做到以視頻圖像幀速率檢測信息[3]，外設接口豐富。如圖1所示，ARM處理器選擇通用外部接口GPIO(General purpose I/O)的Port C端口16根數據線與DSP的主機接口HPI(Host Port Interface)相連接，實現數據交換和信息傳輸。ARM在接收到數據后，根據需要做出相應處理，如將數據傳輸到網絡、報警等；DSP通過中斷的方式定時向ARM單元提出數據傳輸申請，經響應后將數據傳輸給主設備單元，進而通過網絡傳輸到終端。
2.2 主設備單元設計
系統主設備單元采用ARM處理器為核心實現，主要負責系統控制管理和數據傳輸等任務，通過相應的外設可以實時顯示或相應處理，如報警、電路跳閘和網絡通信等。S3C2410A處理器采用ARM9內核，具有功耗低、體積小、集成度高等特點，可通過GPIO連接多種外設。其中，內部集成了1片8 M×32 bit的Flash，1個16 M×32 bit寬的SDRAM的內存，主設備單元組成如圖2所示。
主設備控制單元模塊中，外接1片8 M×16 bit的Flash，一個16 M×16 bit寬的SDRAM，加上處理器自帶的內存，總共構成32 MB Flash、96 MB SDRAM，可充分滿足嵌入式操作系統的移植和數據存儲的需求。控制單元通過USB口與外設或上位機實現數據交換與系統移植，利用專用的JTAG調試接口實現功能調試。另外，可以利用GPIO外接多種不同的設備，如顯示器、報警器，也可以通過自帶的網口連接到辦公網絡等。
2.3 從設備單元設計
從設備單元以TMS320C6211芯片為核心，該芯片采用的哈佛結構比傳統的馮諾依曼結構具有更高的DSP 指令速度，且具有分離的數據總線和程序總線，片內集成了ROM、RAM 和多個外設數據處理部分。
TMS320C6211芯片有兩種方式實現與ARM控制芯片相連接：(1)利用主機設備接口HPI，主設備單元直接訪問DSP，DSP作為從設備使用；(2)利用增強直接存儲器訪問控制器EMIF(External Memory Interface)，把ARM控制器映射到EMIF的存儲空間的方式，使用EMIF控制DSP與ARM的數據傳輸，DSP作為主設備使用[4，6]。本文選擇DSP作為從設備的方式，利用HPI和主設備單元進行通信。
TMS320C6211芯片的主機接口HPI是1個16 bit并行端口，主設備芯片S3C2410A掌管該接口的主控權，HPI接口允許主設備芯片通過HPI的3個寄存器實現對DSP存儲空間的隨機地址存取和自增地址存取。DSP芯片的HPI接口3個寄存器分別是：控制寄存器(HPIC)、數據鎖存器(HPID)、地址寄存器(HPIA)。HPI接口信號及其功能如表1所示。主設備芯片S3C2410A和TMS320C6211都可以存取HPI控制寄存器，主設備還可以存取HPI地址寄存器和HPI數據寄存器，HPI的3個寄存器都采用存儲器映射方式映射到主設備的存儲空間[3，6]。
2.4 主從設備單元的接口設計[4-6]
S3C2401A作為主處理單元的處理器工作在主機模式下，TMS320C6211作為信號采集與處理單元的處理器工作在從機模式下。ARM系統單元在系統上電時對DSP系統單元進行初始化并加載檢測程序及參數，利用I/O口進行數據傳輸操作，通過HPI接口訪問DSP的整個存儲空間。ARM給DSP發送控制信息時，通過HPI接口將控制數據直接寫入DSP的某個存儲區域內，DSP經查詢控制信息后，到約定好的DSP存儲區域內取數據并作相應處理，如寫數據到HPI端口等。
S3C2401A通過端口C(Port C)的16根數據線和TMS320C6211的HPI接口HD[15：0]連接傳輸數據，通過控制線分別產生不同的硬件控制信號。S3C2410A的2根地址線ADDR2、ADDR3分別接到TMS320C6211的HCNTL0、HCNTL1，以完成對HPI接口不同寄存器的訪問。地址線ADDR4代替HR/W信號和HPI口的HR/W相接，用于選擇HPI接口處于寫或讀狀態。地址線ADDR1與DSP 的HHWIL與相連接，其信號表明并區分HD[15：0]上傳輸的是32 bit數據中的高16 bit還是低16 bit。TMS320C6211與S3C2401A間所有的數據交換是32 bit寬，而HPI端口為16 bit，所以每次數據訪問都需要進行2次存取，由HPI自動將HD[15：0]上連續的2個16 bit數據合成32 bit，也可以用其進行反向分解。
S3C2410A的讀/寫信號nOE和nWE分別接到HDS1和HDS2，HPI口的HDS1和HDS2是數據選通信號，所有的地址線和控制線都在它們的下降沿采樣。從機HRDY信號接到主機的nWAIT(等待信號)上，HRDY是HPI準備好端，低電平表示HPI已準備好執行一次數據傳送，高電平表示HPI正忙于完成當前事務。HPI口的中斷信號HINT連接到主機上的外部中斷引腳EINT8，用于產生或偵聽中斷信號。HAS是地址選通信號，此信號用于主機的數據線和地址線復用的情況，不用時此信號應接高電平。
把TMS320C6211映射到S3C2410A的存儲空間組BANK2，將BANK2的片選信號nGCS2與HPI接口的片選信號HCS相連接，只要對BANK2進行操作，就可以產生DSP的片選信號。將TMS320C6211的引導模式設置為HPI boot模式，在復位后由主機通過HPI口對DSP進行初始化操作，包括初始化CPU和EMIF及向DSP加載程序和數據等，主從設備之間硬件接口連接如圖3所示。
3 系統軟件設計
3.1 系統的初始化
在設計好ARM與DSP硬件連接的基礎上，需要通過正確的初始化和編程才能實現設備之間的通信。對DSP芯片HPI接口進行讀/寫操作時，將HPI接口看作一個連接到ARM芯片的外部設備，將完成讀/寫操作的程序看成在ARM核Linux系統下面的一個字符型驅動程序進行開發。程序在上位機開發完畢后，經JTAG口固化到ARM的存儲空間里。S3C2410A與TMS320C6211之間的初始化程序主要由ARM芯片的初始化和HDI接口讀寫初始化組成。
(1)ARM芯片的初始化[1，4]
ARM處理器先要完成自身工作模式等一系列的初始化，才能正常進行HPI接口的讀/寫。初始化主要有嵌入式操作系統的移植、GPIO口管腳功能定義、中斷控制、代碼啟動，還有PLL、時鐘、存儲器系統以及堆棧等初始化， I/O及BANK存儲空間初始化的部分代碼如圖4所示。
(2)HPI接口讀寫初始化[2，4]
系統設計中HPI口將占用外部I/O接口BANK2的地址，需要對TMS320C6211的BANK進行配置，同時對HPI接口寄存器的地址進行宏定義。由于使用單獨的地址線來模擬HPI16接口的HR/W，因此對同一個寄存器分別進行讀/寫操作時，看起來像是對不同的地址進行相應的操作。DSP芯片部分初始化源代碼如圖5所示。
在定義宏后，ARM通過HPI驅動程序就可以將DSP中的數據通過HPI口讀出來，并送到指定的用戶緩沖區中，再通過網絡發送到用戶終端。
3.2 數據傳輸流程
由ARM和DSP雙核構建的監控系統中，數據傳輸由ARM發起。ARM單元在啟動后，開啟數據傳輸進程與DSP單元建立通信連接，周期地查詢外設端口是否有DSP數據輸入。在接收到DSP數據后，依據控制單元的程序進行分析和處理，以及依據需要做出相應操作或將數據上傳至網絡等。
DSP數據采集單元在啟動后，通過所連接的外設采集監控區域的物理信息。應用移植到DSP核中的程序算法，對接收到的數據實現分析和處理。在接收到主設備控制單元的數據傳輸指令后，將經過分析處理后的數據發送到ARM控制單元。具體的設備數據傳輸流程如圖6所示，其中，ARM控制單元和DSP數據處理單元各自并行執行相關操作。
本系統采用了目前先進的ARM、DSP技術，ARM作為主處理器完成系統管理及網絡通信，DSP作為協處理器完成數據采集、分析和處理，整個系統方案簡潔高效且具有可重構性。DSP的快速數據處理能力和ARM 卓越的控制、通信能力保證了動態信號采集和分析系統的實時性要求。由于DSP及ARM均是可編程的系統配置，運算靈活，其性價比高、體積小、功耗低，嵌入式操作系統支持的軟件豐富，源代碼開放裁剪靈活等特點，使本系統設計滿足了數據采集分析對易操作、網絡化和低成本等方面的要求，適用于不同環境的檢測和監控。
參考文獻
[1] Samsung Electronics.S3C2410A-200MHz & 266MHz 32-Bit RISC Microprocessor User′s Manual,Revision1.0[Z].2004.
[2] TI Corp.TMS320C6000 Peripherals Reference Guide[Z].2000.
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