优化的嵌入式系统设计资源简化汇聚式处理器应用

• 关键词：嵌入式,系统设计资源,汇聚式处理器
• 摘要：当今的嵌入式应用已经无处不在，全球每年生产数十亿颗微处理器，其中大部分被广泛应用于各类嵌入式系统，从消费电子、通信终端及系统设备、工业控制、汽车电子系统到航空航天，无处不能看到嵌入式应用的身影。

     当今的嵌入式应用已经无处不在，全球每年生产数十亿颗微处理器，其中大部分被广泛应用于各类嵌入式系统，从消费电子、通信终端及系统设备、工业控制、汽车电子系统到航空航天，无处不能看到嵌入式应用的身影。在硬件平台方面微控制器以及数字信号处理器(DSP)产品无论从品牌、成本、功能特性方面选择数以千计，您完全可以针对您的目标应用对成本、处理能力、功耗要求、集成度、开发周期、技术难度等具体要求，精心选择出最具综合优势的硬件核心平台。而在嵌入式操作系统方面，您同样不再会有桌面应用中几乎无可选择的尴尬，无论是开放源代码的Linux阵营的各种商业版本或免费版本，还是WinCE、vxWorks等“重量级”平台，抑或针对特定应用优化的如Windows Mobile、Symbian、Android等，您同样可以为您的目标应用选择一款最佳的操作系统软件平台。

     嵌入式系统设计过程是软硬件联合协同开发的过程，在进行软硬件平台选择评估时，单纯地离开硬件去评估操作系统或离开操作系统评估硬件平台都有失偏颇，特别是对于很多非通用处理器来说尤其如此。当前很多嵌入式硬件平台都提供了针对目标应用优化的操作系统及软件模块资源，一些商业化的操作系统也针对主流的硬件平台进行了优化设计，提供第三方优化操作系统版本，这些资源对于嵌入式系统设计来说具有重要的意义。本文将介绍一种独特的嵌入式平台核心处理器——汇聚式处理器Blackfin以及其主流的配套操作系统及相关资源。

     基于Blackfin构建独特的嵌入式平台
     汇聚式处理器Blackfin 基于由 ADI 和 Intel 公司联合开发的微信号架构(MSA)，它将一个 32 位 RISC 型指令集和双 16 位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。这种汇聚式处理能力的组合使得Blackfin处理器能够在信号处理和控制处理应用中均发挥极佳的作用 —— 在许多应用中免除了增设单独的异构处理器的必要，极大地简化了硬件和软件设计。Blackfin处理器非常适合于满足会聚能力起关键作用的嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件，包括多格式音频、视频、语言和图像处理，多模式基带和分组处理，控制处理和实时安全性。正是这种独特的系统架构、所具有的设计灵活性和可扩展性为Blackfin处理器赢得了广泛的适应性，例如数字家庭娱乐、网络和流媒体、汽车远程信息处理和信息娱乐、数字无线电，以及移动电视终端。

     目前，Blackfin 处理器在单内核产品中可提供高达 756MHz 的性能，还提供了低至 0.8V 的业界领先的功耗性能，对于满足当今及未来的信号处理应用而言，这种高性能与低功耗的组合特征是必不可少的。Blackfin 处理器都为嵌入式系统设计提供了十分重要的特性及性能优势，包括：同时实现各种应用的高性能信号处理和高效控制处理能力；可确保产品开发时间最小化的易用型混合 16/32 位指令集架构和开发工具套件；丰富的嵌入式系统设计的软件模块资源和内置硬件资源(存储器、PWM单元、广泛的接口等)；实现器件功耗模式与终端系统要求相适应的动态电源管理能力。所有的 Blackfin 处理器均具有多个独立的 DMA 控制器，这些控制器支持自动数据传输，而所需的处理器内核开销极少。此外，Blackfin处理器具有丰富的存储器配置，可以极大地方便嵌入式系统的应用开发。以ADSP-BF51x系列为例，该处理器同时具有NOR闪存、NAND闪存、铁电存储(FRAM)、SDRAM，还提供了支持Lockbox安全技术的一次性可编程存储器。

     Blackfin 处理器架构还完全符合 SIMD 标准，并包括用于加速视频和图像处理的指令。该架构很适合于全信号处理/分析能力。 由于具有最佳代码密度且只需进行极少(或者完全不需要进行)代码优化处理，因此可缩短产品的 面市时间，而不会遇到其他传统处理器所常见的性能空间障碍。如今，在许多过去需要同时采用一个高性能信号处理器和一个单独的高效控制处理器的应用中，只需采用一个 Blackfin 处理器即可。这种好处极大地缩减了开发时间和成本，并最终加快了终端产品的面市进程。此外，由于只需采用一组开发工具，因而减少了系统设计工程师的初期费用和学习时间。

     广泛优化的操作系统资源
     除了硬件平台之外，嵌入式操作系统的选择对于正在从事新的嵌入式开发项目的工程师来说同样重要。对于Blackfin处理器来说，除了处理器本身的独特性能特性优势外，强大的嵌入式操作系统资源是该处理器获得广泛应用的另一个关键因素。Blackfin处理器支持包括VisualDSP自带的操作系统内核(VDK)、ThreadX、uCLinux和Nucleas等获得业界广泛应用的操作系统，避免了工程师在从其它处理器平台移植到Blackfin平台时因更改操作系统而延长终端产品开发周期。这些操作系统各自具有不同的特性和功能以及具有不同的价格、版权费用条款。从特性上看，有代码非常紧凑、复杂度低的操作系统(VDK)，有复杂、具有丰富特性的操作系统(如uClinux)，具有极高可靠性的INTEGRITY，专注于汽车市场需求的RTA-OSEK，等等 。下面将对以下几类操作系统进行简要介绍。

     1. ThreadX
     Express Logic公司的ThreadX是优秀的硬实时嵌入式操作系统，具有代码规模小、实时性强、可靠性高、方便使用等特点，广泛应用于汽车电子、消费电子、工业自动化、网络解决方案、军事与航空航天等领域中。Express Logic公司作为全球重要的嵌入式操作系统提供商具有强大的产品研发能力，从而保证了该操作系统的持续升级。最新的ThreadX V5.2版本在小型化的ThreadX 5.1框架基础上进一步提升了系统速度性能，并引入了友好的开发特性，例如动态事件过滤、扩展的事件跟踪、SMP增强特性以及降低对全局存储器的需求。

     Express Logic公司与ADI公司建立了深入的合作关系，针对ADSP-BF534、ADSP-BF536和ADSP-BF537处理器提供了优化的实时操作系统，针对Blackfin双内核处理器ADSP-BF561开发了增强版的ThreadX实时操作系统(ThreadX SMP RTOS)，该产品大大简化了开发商管理在双内核SMP嵌入式处理器上的编程任务，为Blackfin处理器的双内核提供负载平衡，缩短了双内核平台的开发过程(ThreadX SMP版本是消费电子应用中第一个真正的多处理器开发环境)。ThreadX实时操作系统可为Blackfin用户提供实时、多线程应用，Express Logic的picokernel结构使该产品具有很高的性能和极小的代码规模，最小采用4KB的独立文件构建所有系统服务。针对Blackfin处理器优化的ThreadX还与ADI公司的VisualDSP 集成开发环境(IDE)的无缝集成，进一步优化了嵌入式系统开发环境。

     2. uClinux
     Linux是一种获得广泛应用的嵌入式操作系统，在所有主流的嵌入式系统中，嵌入式Linux无疑具有非常重要的地位。无论是其超强的网络功能，可任意裁剪以适应小巧的嵌入式系统，完全免费、通用的Linux API的特点，以及全球拥有数千万的爱好者所产生的广泛开放资源，都使其成为嵌入式应用中的重要力量。uClinux是针对微处理器应用的Linux系统，完全开放源码，并针对嵌入式应用的特点对Linux的内核进行了修改和重新编译，内核更小。uClinux包含Linux常用的API，保留了原来Linux操作系统具有的高稳定性、强大的网络功能和卓越的文件系统支持功能等优点。

     uClinux操作系统可直接运行于Blackfin处理器，对于很多嵌入式应用来说，在与Blackfin处理器同等价位的方案中很少有能支持Linux的。然而，在面向特定的嵌入式应用时，例如内存空间有限或需要实时确定性以及高安全性能的应用，Linux仍存在许多挑战。工具链的改善、不断演变的标准化努力等，都有助于提升Linux对于所有嵌入式应用的价值。为此，ADI公司在uClinux里集成了大量硬件驱动和应用例程，包括无线局域网驱动、音/视频编解码器驱动等，从而将帮助客户非常方便地从原来的系统移植到Blackfin平台上来。此外，ADI还与全球领先企业建立了广泛的合作关系，为基于Linux的Blackfin嵌入式系统应用开发提供了大量的优化的操作系统应用资源。ADI与公认的uClinux先驱Arcturus Networks公司联合推出的新型uCBF54x启动开发工具套件和系统模块就是这样的一个范例。该开发套件可以加快具有多通道语音、mini PBX或IP视频能力的嵌入式媒体设备的开发过程，提供的软件包括开源uClinux BSP(板级支持包)以及Arcturus语音与管理中间件，包括完整的SIP和RTP堆栈。经过多年积累，Blackfin Lin