關(guān)振明 ， 陳 安 ，2

（1.華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究 院精密電子制造技術(shù)研發(fā)中心，廣東 廣州 511458）

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者采用DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制。然而，在某些特定的場(chǎng)合，如圖像處理等，由于數(shù)據(jù)吞吐量大，可能使用單片DSP不能滿足實(shí)時(shí)性的要求，我們就需要將兩片，甚至多片DSP進(jìn)行互連，組成雙DSP或多DSP并行處理系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的處理能力，降低處理時(shí)間[1]。

1 雙DSP系統(tǒng)

雙DSP系統(tǒng)[2]設(shè)計(jì)中，一般采用主從方式，即一個(gè)DSP作為主處理器，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度分配、人機(jī)交互等系統(tǒng)工作；一個(gè)DSP作為從處理器/協(xié)處理器，分擔(dān)主DSP的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，以減輕主DSP的壓力。在這里，主從DSP就需要進(jìn)行通信來(lái)交換信息，主機(jī)需要把相關(guān)處理參數(shù)設(shè)置發(fā)送給從機(jī)；從機(jī)需要把相應(yīng)的處理結(jié)果返回給主機(jī)。因此，在雙DSP系統(tǒng)中，主從通訊就顯得尤為重要了。

主從DSP通訊，主要需解決如下問(wèn)題：

1）雙向通信問(wèn)題：因?yàn)橹鲝耐ㄐ诺哪康木褪菫榱诉M(jìn)行信息交換，因此必須滿足雙向通信，才能保證信息在主從機(jī)之間交換。

2）可靠性問(wèn)題：實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)必須保證能夠可靠運(yùn)行，這就要求主從機(jī)之間的通信必須可靠，需要有相應(yīng)的機(jī)制，才能保證系統(tǒng)運(yùn)行正常可靠。

3）任務(wù)同步問(wèn)題：因?yàn)閷?shí)時(shí)系統(tǒng)一直在運(yùn)行，所以要保證主從機(jī)處理的是同一次采集的對(duì)象信息，不然會(huì)造成主從信息錯(cuò)位，從而引起錯(cuò)誤。

2 數(shù)據(jù)通信方案選擇

1）基于串行接口的雙DSP數(shù)據(jù)通訊

通過(guò)串行口進(jìn)行連接是常見(jiàn)的系統(tǒng)內(nèi)、系統(tǒng)間通信方式，常見(jiàn)的串行接口包括UART、IIC、SPI[3]和SPORT口等。

串行通信具有數(shù)據(jù)線少、連接簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，但是串行通信的傳輸速度，相對(duì)于并行接口和雙口RAM要慢，特別是需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)量通訊時(shí)。

2）基于并行接口的雙DSP數(shù)據(jù)通訊

像TI的DSP就具有HPI主機(jī)接口，用于進(jìn)行主從DSP連接。

通過(guò)并口方式，能夠在不增加硬件的情況下，更快地進(jìn)行主從通訊，甚至訪問(wèn)主從DSP的內(nèi)存；但是相比串口方式，需要更多的連接線。

3）基于雙口RAM的雙DSP數(shù)據(jù)通訊

利用雙口RAM作為主從DSP的共享存儲(chǔ)器，具有傳輸速率高的特點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)交換且控制時(shí)序松散的場(chǎng)合。但是，該方式需要增加一個(gè)雙口RAM芯片，硬件電路和軟件設(shè)計(jì)都要比前兩種方式要復(fù)雜，成本也會(huì)增加[4]。

在這里，以雙面圖像處理系統(tǒng)為例，系統(tǒng)需要同時(shí)采集通過(guò)物體的正反兩面的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理，判斷是否存在缺陷。因此，需要同時(shí)采集正反兩面的圖像，進(jìn)行處理并得出結(jié)論。采用雙DSP系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。我們選用ADI公司的BF531 DSP構(gòu)成主從DSP系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，工作過(guò)程中大多數(shù)情況下只需要從機(jī)將處理結(jié)果返回給主機(jī)，通信數(shù)據(jù)量不大。因此，我們選用串行方式進(jìn)行主從通信。下面將對(duì)該雙DSP主從通信系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3 接口設(shè)計(jì)

根據(jù)BF531的特點(diǎn)，我們選用SPORT口作為主從DSP的通信接口。

SPORT口具有以下特點(diǎn)[5]：

1）雙向操作：每個(gè)SPORT都有2套獨(dú)立的發(fā)送和接收引腳。

2）緩沖的發(fā)送和接收端口：每個(gè)端口都有1個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，用以同其他DSP部件進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸；多個(gè)移位寄存器用于數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)的移入和移出。

3）時(shí)鐘：每個(gè)發(fā)送/接收端口可用外部串行時(shí)鐘，也可用自己產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率。

4）字長(zhǎng)：每個(gè)SPORT都支持3～32位長(zhǎng)度的串行數(shù)據(jù)字，以最高有效位在前或最低有效位在前的格式傳送。

5）幀：無(wú)論數(shù)據(jù)字有無(wú)幀同步信號(hào)，每個(gè)發(fā)送和接收端口都能運(yùn)行；幀同步信號(hào)能夠從內(nèi)部或者外部產(chǎn)生，可以高有效或低有效，要求2個(gè)脈沖寬度，可以前幀或后幀同步。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1給出了整個(gè)圖像處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)圖像接口1和2，系統(tǒng)同時(shí)采集對(duì)象正反兩面的圖像，分別送到主從DSP進(jìn)行處理，主從DSP處理過(guò)程中通過(guò)SPORT口通信交換信息；從機(jī)把處理結(jié)果返回給主機(jī)，主機(jī)進(jìn)行信息匯總判斷，得出控制動(dòng)作。

3.1.2 SPORT接口電路設(shè)計(jì)

接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。SPORT口是全雙工的，有兩套獨(dú)立的發(fā)送和接受引腳，可以同時(shí)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。

主DSP的發(fā)送引腳接到從DSP對(duì)應(yīng)的接收引腳，主DSP的接收引腳接到從DSP相應(yīng)的發(fā)送引腳。 每對(duì)接口包括兩個(gè)傳輸數(shù)據(jù)引腳DT0PRI和DT0SEC，一個(gè)幀同步引腳TFS0和一個(gè)時(shí)鐘引腳SCLK0。

圖2 雙DSP間SPORT口通信電路Fig.2 The dual DSP SPORT mouth communication circuit

3.2 底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

SPORT接口是ADSP－BF531上速度最快的串口，其速度最高可以達(dá)到系統(tǒng)時(shí)鐘的1/2，可以通過(guò)寫(xiě)寄存器來(lái)控制波特率、幀同步和字長(zhǎng)。

SPORT用幀同步脈沖標(biāo)志每個(gè)字或包的起始，用位時(shí)鐘標(biāo)志每個(gè)數(shù)據(jù)位的起始。

SPORT時(shí)鐘和幀同步可以由處理器內(nèi)核產(chǎn)生，也可從外部接收。SPORT可以小尾或大尾格式工作，字長(zhǎng)從3Bit到32Bit[6]。

在這里，我們把SPORT口配置成時(shí)鐘由發(fā)送方產(chǎn)生，只使用主數(shù)據(jù)通道，32 Bit數(shù)據(jù)字長(zhǎng)，DMA自動(dòng)收發(fā)，中斷接受的方式。驅(qū)動(dòng)代碼如下：

4 通信機(jī)制

4.1 數(shù)據(jù)幀格式

主從DSP遵循相同的幀格式，每個(gè)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為32字節(jié)，其中第1個(gè)字節(jié)為幀頭，第31個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)碼，第32個(gè)字節(jié)為幀尾。

幀頭幀尾的作用主要是在調(diào)試過(guò)程中，方便檢查通訊的數(shù)據(jù)幀是否出現(xiàn)錯(cuò)幀、漏數(shù)據(jù)等問(wèn)題。CRC校驗(yàn)用于校驗(yàn)所接收的數(shù)據(jù)是否正確。

4.2 通信過(guò)程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要進(jìn)行3次通信：

1）采圖完成，進(jìn)入圖像處理時(shí)，主機(jī)要把是否需要進(jìn)行圖像處理、要進(jìn)行哪些圖像處理（例如特征信息有無(wú)，OCR字符識(shí)別等）的內(nèi)容告訴從機(jī)；

2）圖像處理完成時(shí)，從機(jī)要把處理結(jié)果返回給主機(jī)；

3）主機(jī)把得到的信息進(jìn)行整合，要把最后的處理結(jié)果返回給從機(jī)。

為了保證主從機(jī)同步，不會(huì)出現(xiàn)信息錯(cuò)位，設(shè)計(jì)了雙向通信機(jī)制，每次通信由主機(jī)發(fā)起請(qǐng)求或者發(fā)送命令，從機(jī)收到之后返回應(yīng)答，主機(jī)收到應(yīng)答后繼續(xù)往下執(zhí)行。

過(guò)程如圖3所示。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，在100張圖像連續(xù)采圖，每85 ms進(jìn)行一次圖像采集的情況下，整機(jī)系統(tǒng)通信正常運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試100組數(shù)據(jù)均工作正常，說(shuō)明該通信機(jī)制是穩(wěn)定可靠的，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4.3 通信過(guò)程優(yōu)化

在上述的通信機(jī)制里面，每次通信都是主從一來(lái)一往，由于主從機(jī)代碼的運(yùn)行并非完全一致，因此常常會(huì)出現(xiàn)等待的情況，要么是從機(jī)在等待主機(jī)發(fā)送命令過(guò)來(lái)；要么是主機(jī)等待從機(jī)返回應(yīng)答。這樣，就總有一部分時(shí)間耗費(fèi)在等待中，雖然在滿足系統(tǒng)性能要求的情況下，并不影響系統(tǒng)運(yùn)行。但是否有方法能夠進(jìn)一步提高通信的效率？

進(jìn)一步研究上述雙向通信機(jī)制，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)并不是所有通信數(shù)據(jù)都是有意義的，第一次通信的從機(jī)返回應(yīng)答，第二次通信的主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，以及第三次通信的從機(jī)返回應(yīng)答，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是沒(méi)有意義的，是否能夠簡(jiǎn)化掉？

因?yàn)橥ㄐ攀峭ㄟ^(guò)DMA方式直接把數(shù)據(jù)緩沖到Buffer里面的，所以像第一次通信，只要主機(jī)把任務(wù)要求發(fā)送給從機(jī)，主機(jī)就可以繼續(xù)往下執(zhí)行任務(wù)代碼；從機(jī)如果執(zhí)行得比主機(jī)慢的話，數(shù)據(jù)已經(jīng)緩沖到Buffer了，直接讀取就行了，已經(jīng)執(zhí)行到了的話，則還是需要等待主機(jī)發(fā)送任務(wù)要求，也不會(huì)錯(cuò)過(guò)數(shù)據(jù)。所以可以進(jìn)行化簡(jiǎn)優(yōu)化。

化簡(jiǎn)之后的通信機(jī)制，從宏觀上構(gòu)成一次半往返通信，少了很大一塊等待時(shí)間，耗費(fèi)的時(shí)間將會(huì)比原先的通信機(jī)制大大減少。由于主從機(jī)的圖圖像采集是同步進(jìn)行的，考慮上這一因素，主從機(jī)還是能夠很好的同步。化簡(jiǎn)后的通信機(jī)制如圖4所示。

圖4 主從DSP單向通信機(jī)制Fig.4 Master-slave DSP unidirectional communication mechanism

經(jīng)測(cè)試，簡(jiǎn)化后，在100張圖像連續(xù)采圖，每85 ms進(jìn)行一次圖像采集的情況下，整機(jī)系統(tǒng)通信正常，運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試100組數(shù)據(jù)均工作正常，說(shuō)明該通信機(jī)制也是穩(wěn)定可靠的，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 測(cè)試結(jié)果

兩個(gè)測(cè)試機(jī)制都經(jīng)過(guò)大量的運(yùn)行測(cè)試，每次100張連續(xù)采圖，測(cè)試100組，系統(tǒng)均穩(wěn)定可靠運(yùn)行。說(shuō)明兩個(gè)機(jī)制都能夠滿足系統(tǒng)要求。

兩個(gè)機(jī)制的通信時(shí)間測(cè)試結(jié)果如下：

6 結(jié) 論

通過(guò)設(shè)計(jì)SPORT接口的主從DSP系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信，雙DSP系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行；通過(guò)對(duì)通信機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到進(jìn)一步的保障。雙DSP系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，保證實(shí)時(shí)處理同一對(duì)象的雙面圖像，并及時(shí)得出處理結(jié)果進(jìn)行控制動(dòng)作。隨著信號(hào)處理數(shù)據(jù)量的不斷增大，雙核或雙處理器的并行處理系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)越多地被應(yīng)用，該設(shè)計(jì)提供了有益的嘗試，并取得了不錯(cuò)的效果。

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