基于Blackfin處理器的嵌入式數(shù)碼相框設(shè)計

孫樹波，孫 伶，熊寅銘

（1.廣播電影電視局 吉林 吉林 132200；2.中國石油管道科技研究中心 河北 廊坊 065000）

當今的嵌入式應用已經(jīng)無處不在，無論是消費電子、通信終端，還是系統(tǒng)設(shè)備、工業(yè)控制、汽車電子系統(tǒng)或航空航天，都無處不見嵌入式應用的身影?，F(xiàn)在，全球每年生產(chǎn)數(shù)十億顆微處理器，其中大部分都被廣泛應用于各類嵌入式系統(tǒng)。

目前，在嵌入式系統(tǒng)硬件平臺方面，各種微控制器以及數(shù)字信號處理器(DSP）產(chǎn)品，無論從品牌、功能特性方面，還是針對目標應用的成本、處理能力、功耗要求、集成度、開發(fā)周期、技術(shù)難度等具體要求，都可以精心選擇出最具綜合優(yōu)勢的硬件核心平臺。而在嵌入式操作系統(tǒng)方面，無論是開放源代碼的Linux陣營的各種商業(yè)版本或免費版本，還是WinCE、vxWorks等“重量級”平臺，抑或針對特定應用優(yōu)化的Windows Mobile、Symbian、Android等，也同樣可以方便地選擇一款最佳的操作系統(tǒng)軟件平臺。

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程實際上就是一個軟硬件聯(lián)合協(xié)同開發(fā)的過程。在進行軟硬件平臺選擇評估時，單純地離開硬件去評估操作系統(tǒng)或離開操作系統(tǒng)評估硬件平臺都有失偏頗，特別是對于很多非通用處理器來說尤其如此。當前很多嵌入式硬件平臺都提供有針對目標應用優(yōu)化的操作系統(tǒng)及軟件模塊資源，一些商業(yè)化的操作系統(tǒng)也針對主流的硬件平臺進行了優(yōu)化設(shè)計，而且提供了眾多的第三方優(yōu)化操作系統(tǒng)版本。這些資源對于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計來說具有重要的意義。為此，本文介紹了一種獨特的嵌入式平臺核心處理器，即匯聚式處理器Blackfin[1]及其主流配套操作系統(tǒng)和相關(guān)資源的應用與設(shè)計方法，給出了用其設(shè)計嵌入式數(shù)碼相框的設(shè)計方案[2]。

1 硬件處理器Blackfin的選擇

本設(shè)計選用匯聚式處理器Blackfin來構(gòu)建獨特的嵌入式硬件平臺。匯聚式處理器Blackfin是由ADI和 Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu)(MSA），它集 32位 RISC型指令集、雙16位乘法累加(MAC）信號處理功能和通用型微控制器所具有的易用性于一體。這種匯聚式處理能力的組合使得Blackfin處理器能夠在信號處理和控制應用中均發(fā)揮極佳的作用，并可在許多應用中免除增設(shè)單獨的異構(gòu)處理器的必要，因而極大地簡化了硬件和軟件設(shè)計。Blackfin處理器非常適合于以會聚為關(guān)鍵技術(shù)的嵌入式音頻、視頻、通信應用，包括多格式音頻、視頻、語言和圖像處理，多模式基帶和分組處理，控制處理和實時安全性處理等。正是這種獨特的系統(tǒng)架構(gòu)所具有的設(shè)計靈活性和可擴展性為Blackfin處理器贏得了廣泛的適應性，也使其廣泛應用于數(shù)字家庭娛樂、網(wǎng)絡(luò)和流媒體、汽車遠程信息處理和信息娛樂、數(shù)字無線電，以及移動電視終端。

Blackfin處理器在單內(nèi)核產(chǎn)品中可提供高達 756 MHz的性能，以及低至0.8 V的低功耗電壓。所有的Blackfin處理器均具有多個獨立的DMA控制器，這些控制器可支持自動數(shù)據(jù)傳輸，而且其所需的處理器內(nèi)核開銷極少。此外，Blackfin處理器還具有豐富的存儲器配置，可以極大地方便嵌入式系統(tǒng)的應用開發(fā)。其中ADSP-BF51x系列處理器就同時具有NOR 閃存、NAND 閃存、鐵電存儲（FRAM）、SDRAM，同時還提供有支持Lockbox安全技術(shù)的一次性可編程存儲器。

Blackfin處理器架構(gòu)完全符合SIMD標準，并帶有用于加速視頻和圖像處理的指令。該架構(gòu)很適合于全信號處理/分析應用。 由于Blackfin處理器具有最佳的代碼密度且只需進行極少（或者完全不需要進行）代碼優(yōu)化處理，因而不會遇到其他傳統(tǒng)處理器所常見的性能空間障礙。

2 uCLinux操作系統(tǒng)的選擇

嵌入式操作系統(tǒng)的選擇對于正在從事新的嵌入式開發(fā)項目來說，它與選擇嵌入式硬件微處理器同樣重要。對于Blackfin處理器來說，除了處理器本身的獨特性能特性優(yōu)勢外，強大的嵌入式操作系統(tǒng)資源也是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵因素。Blackfin處理器支持包括VisualDSP自帶的操作系統(tǒng)內(nèi)核 （VDK）、ThreadX、uCLinux和 Nucleas等操作系統(tǒng)，這一特性可避免將操作系統(tǒng)從其它處理器平臺移植到Blackfin平臺時，因更改操作系統(tǒng)而延長的終端產(chǎn)品開發(fā)周期。各種操作系統(tǒng)各自都具有不同的特性功能以及不同的價格、版權(quán)費用等條款。從特性上看，嵌入式操作系統(tǒng)有代碼緊湊、復雜度低的操作系統(tǒng)VDK，也有復雜而具有豐富特性的操作系統(tǒng)uClinux，同時具有可靠性極高的INTEGRITY，以及專注于汽車市場需求的RTA-OSEK等。通過對各種操作系統(tǒng)的功能分析，本設(shè)計最終選擇了uCLinux操作系統(tǒng)來進行數(shù)碼相框的設(shè)計。圖1所示是其操作系統(tǒng)在Blackfin上的組織結(jié)構(gòu)。

圖1 操作系統(tǒng)在Blackfin上的組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Organization structure of operating system on Blackfin

Linux是一種獲得廣泛應用的嵌入式操作系統(tǒng)，在所有主流的嵌入式系統(tǒng)中，Linux操作系統(tǒng)無論是其超強的網(wǎng)絡(luò)功能、可任意裁剪、完全免費和通用的Linux API特點，以及廣泛的開放資源，都使其成為嵌入式應用中的重要力量[3]。uClinux是針對微處理器應用的Linux系統(tǒng)，源碼完全開放，同時針對嵌入式應用的特點，uClinu對Linux的內(nèi)核進行了修改和重新編譯，因而內(nèi)核更小。uClinux也包含Linux常用的API，并保留了原來Linux操作系統(tǒng)具有的高穩(wěn)定性、強大的網(wǎng)絡(luò)功能和卓越的文件系統(tǒng)支持功能。

uClinux操作系統(tǒng)可直接運行于Blackfin處理器。對于很多嵌入式應用來說，在與Blackfin處理器同等價位的方案中，很少有能支持Linux的。事實上，在面向特定的嵌入式應用時（例如內(nèi)存空間有限或需要實時確定性的高安全性應用），Linux仍然存在許多挑戰(zhàn)[4]。而本設(shè)計的主要特點之一，是其所選擇的ADI公司的Blackfin處理器已在uClinux里集成了大量的硬件驅(qū)動和應用例程，其中包括無線局域網(wǎng)驅(qū)動、音/視頻編解碼器驅(qū)動等，這些驅(qū)動可幫助客戶非常方便地將應用程序從原來的系統(tǒng)移植到Blackfin平臺上來。此外，ADI與Arcturus Networks公司還聯(lián)合推出了新型uCBF54x啟動開發(fā)工具套件和系統(tǒng)模塊。該開發(fā)套件提供的軟件包括開源u-Clinux BSP（板級支持包）以及Arcturus語音與管理中間件，同時包含完整的SIP和RTP堆棧。因此可以說，Blackfin Linux已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域最為穩(wěn)定的嵌入式Linux發(fā)行包之一。

3 軟件開發(fā)工具環(huán)境

隨著嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品應用越來越復雜、產(chǎn)品投放市場的時間越來越急迫，完善的開發(fā)環(huán)境也變得越來越重要。除了全系列優(yōu)化的嵌入式操作系統(tǒng)外，具有完整的開發(fā)環(huán)境也是其嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要因素之一。為此，ADI也提供有能夠支持其他Blackfin處理器的ADI CROSSCORE軟件與硬件工具，這些工具包括VisualDSP++集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境、仿真器，以及EZ-KIT Lite評估版硬件等。

此外，ADI也為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供了大量的系統(tǒng)服務程序，例如為嵌入式系統(tǒng)提供了各種常見功能的軟件庫，這些服務程序?qū)嶋H上就是可用于任何系統(tǒng)的公用程序，它們既可在未安裝RTOS的獨立式環(huán)境下運行，又可用于VDK環(huán)境。利用這些系統(tǒng)服務程序可以便捷、高效地接入Blackfin處理器的硬件子系統(tǒng)，包括鎖相環(huán)路、直接內(nèi)存存取、中斷控制器、標志控制器和定時器等。所有的Blackfin處理器均可采用一套通用的API，各種應用和設(shè)備驅(qū)動程序也均可使用這些系統(tǒng)服務程序。這些系統(tǒng)服務程序中包含的軟件都已經(jīng)經(jīng)過反復測試，而且性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計時可以直接使用這些程序。此外，利用這些服務程序，也可以輕松整合這些模塊化軟件，實際上，這些服務程序都是與VisualDSP++集成開發(fā)環(huán)境一起提供的。

為了改進應用開發(fā)環(huán)境，設(shè)計時可以用美國國家儀器有限公司（NI）與ADI聯(lián)合推出的專用于ADI Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊，來將LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流的開發(fā)環(huán)境擴展到高性能、低功耗的Blackfin處理器，以便通過無縫地將其集成到ADI VisualDSP++開發(fā)和調(diào)試環(huán)境來快速地開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。使用NI LabVIEW嵌入式技術(shù)可以一步到位完成系統(tǒng)建模的硬件在線測試和原型設(shè)計。這一圖形化的軟件包括140多種Blackfin特有的、經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)學、分析和信號處理函數(shù)，比如音頻和視頻DAC、ADC以及編解碼器等集成I/O。

4 嵌入式數(shù)碼相框的設(shè)計

圖2所示是一種基于Blackfin處理器BF52x開發(fā)的嵌入式數(shù)碼相框的功能圖，該產(chǎn)品具有互聯(lián)網(wǎng)WiFi無線連接、電子郵件發(fā)送、RSS新聞閱讀、即時照片分享、全觸摸操作等功能特性。本設(shè)計采用uClinux嵌入式操作系統(tǒng)。作為一款典型的消費電子產(chǎn)品，Blackfin可以直接運行于uClinux，這使得該設(shè)計能夠有效地降低整體成本，并可十分方便地將以往的設(shè)計軟件移植到新的系統(tǒng)中。事實上，在與BF52x處理器相近價格的同類解決方案中，目前還很少有支持Linux的處理器。

圖2 數(shù)碼相框的設(shè)計方案圖Fig.2 Design diagram of digital photo frame

基于Blackfin處理器BF52x開發(fā)的嵌入式數(shù)碼相框的功能十分齊全，因此，設(shè)計時可以根據(jù)產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本要求進行取舍。圖3所示是一種基于Blackfin處理器BF52x設(shè)計的、功能相對比較簡單的數(shù)碼像框的硬件結(jié)構(gòu)圖[5]。

圖3 簡單數(shù)碼相框的硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Simple hardware structure of the digital photo frame

由于Blackfin處理器BF52x自身就帶有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲（FRAM）、SDRAM 等存儲器，因此，在需要進一步外擴存儲器時，完全可以利用其自身固有的應用程序。另外，如果希望使該數(shù)碼像框同時帶有音頻功能，也可以很容易的將NI公司LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流開發(fā)環(huán)境擴展到高性能、低功耗的Blackfin處理器，再通過音頻和視頻DAC、ADC以及編解碼器等集成I/O，將存儲單元中的圖像文件中的音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后通過音頻系統(tǒng)還原成聲音輸出。至于USB接口和圖片數(shù)據(jù)文件的輸出顯示[6]，無論是硬件還是軟件驅(qū)動程序，目前都十分成熟而且簡單。

5 結(jié)束語

本文利用ADI公司的匯聚式處理器Blackfin作為嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺，并采用uClinux為操作系統(tǒng)，同時采用ADI針對目標應用在uClinux操作系統(tǒng)中集成的大量硬件驅(qū)動（包括WiFi驅(qū)動、音/視頻編解碼器的驅(qū)動等）程序，給出了一種具有互聯(lián)網(wǎng)WiFi無線連接、電子郵件發(fā)送、RSS新聞閱讀、即時照片分享、全觸摸操作等功能的嵌入式電子數(shù)碼相框的設(shè)計方案。事實上，由于本系統(tǒng)缺少存儲器管理單元（MMU），內(nèi)存管理仍是嵌入式處理器需要進一步解決的問題之一，這樣，在BF52x平臺上移植Linux應用就仍然必須修改由于內(nèi)存管理模式不同而帶來的問題，而且工作量較大。這一點仍然是今后需要解決的一個技術(shù)問題。

[1]陳峰 .Blackfin系列DSP原理與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]陸磊.Blackfin處理器平臺為多媒體播放器應用提供高性能技術(shù)保障[J].電子系統(tǒng)設(shè)計，2010（1）：61.LU Lei.Blackfin processor platform multimedia player application to provide high-performance technical support[J].Electronic System Design,2010（1）：61.

[3]周建勝,谷勇,劉文權(quán).一種開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)-uCLinux[J].中國科技信息,2005 （19）:63.ZHOU Jian-sheng,GU Yong,LIU Wen-quan.A kind of open source embedded operating system-uCLinux[J].China Science and Technology Information,2005 （19）:63.

[4]蔡超.基于uClinux的網(wǎng)絡(luò)指紋匹配系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢華中科技大學,2006.

[5]李英博.數(shù)碼相機顯示驅(qū)動電路的研究與設(shè)計[D].吉林:吉林大學,2004.

[6]郜峰利，楊虹，郭樹旭，等.數(shù)碼像框控制電路的設(shè)計[J].液晶與顯示,2004（1）:33-37.GAO Feng-li,YANG Hong,GUO Shu-xu,ect.Digital Photo frame control circuit[J].LCD and Display,2004 （1）:33-37.