基于DSP的實時數據處理系統淺析

前言：

隨著信息技術的飛速發展，人們更加迫切得需要準確、快速地獲取大量數據，并能從中方便、準確地提取有用信息。隨著對系統需求的增加，系統不但需要高速的數據處理能力，還需要具有良好的系統控制功能。因此，傳統的單一DSP的架構已經不能完全滿足人們的需求。

1、DSP/MCU融合或者DSP+FPGA架構

針對這一問題，現在比較流行的解決方案為：DSP/MCU融合或者DSP+FPGA架構。

1.1 DSP特點

DSP一般采用哈佛架構，超長指令字架構等，數據存取和指令分開，內部運算單元多，有專門的運算乘加結構，因此運算速度極高。其內部存儲器（RAM和ROM）很大，并且可以擴展，外部接口豐富，配合流水線操作，特別適合進行大量數字信號的快速處理。盡管如此，DSP芯片的單機處理能力還是有限的。

1.2 MCU特點

MCU接口相當靈活，并集成了FLASH、DAC、ADC、SRAM、總線、定時器/計時器、I/O、串行口等功能單元，非常適合于各種控制應用。但是，MCU數據存取和指令沒有分開，運算速度較低，運算單元較少，且內部存儲器不大，對大量數字信號的快速處理無能為力。

1.3 FPGA特點

FPGA以強大的靈活性著稱。FPGA可以反復地編程、擦除以及靈活的外圍設備接口是它的最大的亮點。非常適合高性能運算密集型應用，可以以更大的并行度實現產品所需功能。

1.4 DSP/MCU融合或者DSP+FPGA架構的優點和局限性

面對大量數據處理并且需要許多控制功能的實時系統，將 DSP和 MCU的優缺點互補，不失為一個好的解決方案，也逐漸受到人們的青睞。

而采用DSP+FPGA的數字硬件系統正顯示出它的優越性，越來越受到人們的重視。

SP+FPGA結構最大的特點是結構靈活，通用性強，同時其開發周期較短，系統易于維護和擴展，適合于實時數據采集和處理。傳統DSP芯片的結構本質上是串行的，對于需要處理的數據量大、處理速度高，但是運算結構相對比較簡單的底層信號處理算法來說，并沒有優勢可言，而這恰好是FPGA硬件的強項。而且針對DSP芯片不能直接與PC機進行異步串行通行的缺點，可以通過FPGA的相關通信協議轉換來彌補。再結合FPGA的并行處理方式，使得DSP+FPGA非常適合超高速和實時信號處理領域。

然而，雖然DSP/MCU融合或者DSP+FPGA架構的方案解決了單一處理器不能兼顧大數據量處理和大量控制功能并存的問題，但是魚與熊掌不可得兼，不能否認，DSP/MCU融合或者DSP+FPGA架構的方案又引出了新的問題。隨著系統處理器數量的增加，帶來的，無疑將是系統體積的增大，功耗的提高。至于系統的抗干擾能力和穩定性更是問題，也更加要費一番苦心去解決。

2、基于SOPC嵌入式系統的FPGA的架構

針對需要良好控制能力的實時數據采集系統，從追求高性能、低成本的角度考慮，基于 SOPC技術和uClinux嵌入式操作系統的FPGA架構是個很好的解決方案。

2.1 FPGA代替部分DSP功能

隨著工藝技術的進步，FPGA的功耗不斷降低，速度逐漸提高，同時成本也越來越低。因此，在某些領域，代替DSP或者MCU，為許多需要功能復雜的應用提供了快速、低成本的解決方案。用FPGA來實現數字信號處理可以很好地解決并行性和速度問題,而且其靈活的可配置特性以及先進的開發工具使得FPGA構成的DSP系統彌補了傳統方案的諸多不足。

2.2 SOPC技術

圖1 SOPC結構圖

SOPC技術是美國Altera公司于2000年最早提出的，并同時推出了相應的開發軟件QuartusⅡ。通常，除常規的SRAM、DRAM、Flash外，系統還需要配置網絡通信接口、串行通信接口、USB接口、VGA接口、PS/2接口或其他專用接口等。這樣才能構成一個完整的系統，使系統更為完備，能適應多任務的要求。但同時帶來了整個系統的體積、功耗增加的問題，并且降低了系統的可靠性。如果將ARM或其他知識產權以硬核方式植入FPGA中，則利用FPGA中的可編程邏輯塊，就能很好地解決這些問題，這樣就使得FPGA靈活的硬件設計和硬件實現與處理器的強大軟件功能有機地結合，高效地實現SOPC系統。

而且在構建SOPC系統的過程中，我們可以通過QuartusⅡ將系統模型方便地搭建在FPGA上，避免了專用配置和采用金屬互連的走線。器件面積更小，開發周期更短，成本更低。在QuartusⅡ中構建系統模型的時候，還可以利用相關工具（DSP Builder）很方便地將各種DSP算法的IP核添加到工程中。實踐證明，用FPGA實現的MPEG4壓縮/解壓縮速度比通用DSP快10倍以上。

2.3 uClinux嵌入式操作系統

uClinux是一種廣泛應用于嵌入式設備中的操作系統，是針對微控制領域而設計的操作系統，適合不具備內存管理單元（MMU）的微處理器，它的特點是高穩定性、強大的網絡功能和出色的文件系統支持等。基于uClinux操作系統的應用程序,其所有的硬件細節均對用戶屏蔽，對硬件進行直接控制的底層驅動程序均封裝在操作系統內,通過設備驅動程序接口來完成,用戶只需在高層通過操作系統所提供的系統調用進行編程，像在PC機上一樣，擁有完善的操作系統并提供應用程序接口（API），將開發好的應用程序直接在嵌入式系統上執行，不需要了解所有硬件部件的細節,并編寫相應的驅動子程序,降低了軟件設計難度和工作量,有很好的可移植性。而且，uClinux有一個完整的TCP/IP協議棧，對其他許多的網絡協議也都提供支持；RTlinux模塊可以對系統的實時性提供軟件上的支持；而且，嵌入式操作系統uClinux可以作為一個模塊，融合到SOPC系統，與SOPC系統一起，方便地嵌入到FPGA處理器中。最后，再結合FPGA的硬件并行處理架構，這種高靈活性、高集成度、高實時性嵌入式處理系統完全有能力應付要求實時性較高的場合。

2.4 研究開發嵌入式數據采集系統的重要意義

隨著嵌入式技術的發展，嵌入式系統的開發成本逐漸降低，通用性日漸提高，更便于維護和移植，而且嵌入式系統體積小、功耗少、穩定性高，在工業控制和以太網的傳輸方面優勢更加明顯。所以，研究開發嵌入式數據采集系統對應付海量數據處理的實時系統有十分重要的意義。

3、總結與展望

采用DSP/MCU或者DSP+ARM的架構，可以很好的滿足大量數據處理并且需要許多控制功能的實時系統，但是隨著性能的提高，功耗和集成度問題顯而易見。當需要處理的數據量不大的時候，基于SOPC技術的FPGA系統可以應付，而且靈活性好，集成度高，功耗小，但是無法解決海量數據的處理。隨著技術的進步，也許在不久的未來，基于哈佛結構的DSP芯片會有更好的結構改善，或者FPGA會發展到能夠獨當一面的地步，或者DSP、FPGA、MCU會融合得更好，或者一種新的結構的芯片，異軍突起……

科研技術的快速發展與進步，各種新的方案也隨之不斷出現，這就使得人們在解決方案的選擇上有了更多的自由與空間。然而，可以肯定的是，在選擇解決方案的時候，追求高性能、不斷降低成本的，將是我們始終不變的目標。