一種基于LINUX的雙核通信BSP系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

葉 莖，張躍華(.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院，湖北武漢 43005；.西門子中國研究院，湖北武漢 430000)

一種基于LINUX的雙核通信BSP系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

葉 莖1，張躍華2
(1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院，湖北武漢 430205；2.西門子中國研究院，湖北武漢 430000)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，軟件與硬件成本不斷增加，一種基于LINUX的數(shù)字中頻盤BSP(Board Support Package)，即板級支持包系統(tǒng)，可以豐富基站設(shè)備軟件資源，并降低成本。系統(tǒng)分析了硬件結(jié)構(gòu)、軟件模塊，描述了平臺支撐模塊、雙核通信模塊、數(shù)字信號處理模塊、雙核通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。數(shù)據(jù)通信模塊提供一套訪問機制來進行數(shù)字中頻盤上ARM與DSP核間通信。由于CPU芯片包含ARM+DSP異步雙核心并且能共享CPU所有資源，因此數(shù)據(jù)通信模塊利用共享內(nèi)存來完成通信功能。ARM與DSP通過對共享內(nèi)存控制來進行交互，并以信號量保證其控制操作的完整性與正確性。該系統(tǒng)已經(jīng)用于無線通信，獲得良好性能。

BSP；嵌入式；LINUX；雙核通信；ARM；DSP

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，物質(zhì)生活水平的提高，人們對各種無線通信設(shè)施的要求越來越高，基站為無線通信的收發(fā)提供支撐作用，負責(zé)移動信號的接收和發(fā)送。數(shù)字中頻盤是基站信號控制的重要組成部分[1]，是衡量基站質(zhì)量核心標(biāo)準(zhǔn)之一，由中頻子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)和收發(fā)子系統(tǒng)構(gòu)成，實現(xiàn)信號從基帶到中頻，再到射頻的上下行控制功能。由于基站設(shè)備量產(chǎn)后軟件與硬件成本壓力變大，多數(shù)軟件基于VXWORKS操作系統(tǒng)，本文設(shè)計一套基于LINUX操作系統(tǒng)的雙核通信板級支持包，即BSP(Board Support Package)系統(tǒng)，用于數(shù)字中頻盤，以豐富基站設(shè)備的軟件資源，并降低成本。

1 BSP系統(tǒng)的功能需求

數(shù)字中頻盤系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)[2]，核心是嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)和外圍設(shè)備。為了使CPU與操作系統(tǒng)能更好地協(xié)同工作，引入BSP系統(tǒng)來進行優(yōu)化。BSP系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供訪問設(shè)備的接口，使其能更好地運行在嵌入式CPU上，屬于系統(tǒng)程序。同一款CPU的BSP技術(shù)，在不同的操作系統(tǒng)上，即使功能一樣，程序與接口定義卻是完全不同的；所以BSP系統(tǒng)必須基于操作系統(tǒng)的特性來設(shè)計，才能更好地為應(yīng)用程序服務(wù)，提供穩(wěn)定的接口。

BSP系統(tǒng)為上層應(yīng)用提供底層設(shè)備的支持，主要功能是完成CPU和操作系統(tǒng)的初始化，提供外圍設(shè)備驅(qū)動程序[3]和硬件中斷程序[4]，定制操作系統(tǒng)模塊功能；讓操作系統(tǒng)能夠運行在實時多任務(wù)環(huán)境下[5]，并為應(yīng)用程序提供訪問設(shè)備的接口。目前市場上有多種體系結(jié)構(gòu)的嵌入式CPU，需求不同，配套的外圍設(shè)備也大不相同。對于嵌入式系統(tǒng)來說，不同的CPU對應(yīng)不同的BSP，因此需要根據(jù)硬件環(huán)境需求，修改BSP程序以保證系統(tǒng)正常運行。

2 BSP系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)CPU選擇德州儀器公司TI(Texas Instruments)的OMAPL138[6]異步雙核處理器[7]，包含ARM(Advanced RISC Machine)處理系統(tǒng)控制功能和DSP(Digital Signal Processing)處理數(shù)字信號功能[8]。如圖1所示，虛線框內(nèi)為嵌入式數(shù)字中頻盤BSP系統(tǒng)的核心硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，由TI公司的OMAPL138(ARM+DSP)、GC5330芯片構(gòu)成。其中OMAPL138集成了高性能的型號為ARM926EJ-S的ARM核以及型號為TMS329C6748xDSP的DSP核，分別簡寫為ARM926、DSP6748。這是一個有健全操作系統(tǒng)支持、低功耗、用戶接口豐富的高性能混合應(yīng)用處理器[9]。雙核架構(gòu)設(shè)備提供了RISC(Reduced Instruction Set Computer)精簡指令集計算機功能和DSP數(shù)字信號處理功能，能通過多種方式進行ARM與DSP的通信，滿足控制要求。數(shù)字中頻盤的寬帶信號處理器芯片采用TI公司的GC5330芯片，它主要用于寬帶傳輸和接收信號。開發(fā)者可以直接采用TI公司提供的強大的軟件支持進行DSP與GC5330的交互處理，減少研發(fā)時間與成本。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)連接圖

系統(tǒng)CPU能在ARM上運行LINUX操作及監(jiān)控應(yīng)用程序，由DSP和GC5330芯片完成數(shù)字信號處理功能，并通過共享內(nèi)存、核內(nèi)通信[10-11]的方式，提高雙核數(shù)據(jù)交互速率和整體系統(tǒng)性能[12]。OMAPL138還集成了豐富的外圍設(shè)備接口，包括如圖1所示的傳統(tǒng)RS232和RS485串口、spi和IIC接口等，從而完成數(shù)模/模數(shù)(DA/AD)轉(zhuǎn)換、電可擦除存儲器(EEPROM)的讀寫等，方便進行開發(fā)與調(diào)試。因為CPU的I/O資源有限，采用Fpga(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列來擴充I/O接口，使CPU能外掛更多的設(shè)備。

3 BSP系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該軟件系統(tǒng)選擇LINUX作為操作系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，不僅要為應(yīng)用層提供設(shè)備管理接口，還要實現(xiàn)ARM核與DSP核的通信功能，完成對所有硬件的支持。系統(tǒng)使用TI公司提供的DSP算法，與GC5330芯片配合，提供項目所需的數(shù)字信號處理功能，大大降低了開發(fā)的復(fù)雜度與時間。系統(tǒng)軟件模塊關(guān)系設(shè)計如圖2所示。

圖2 軟件模塊關(guān)系圖

3.1 平臺支撐模塊

平臺支撐模塊主要由OMAPL138處理器驅(qū)動組成，包括外接設(shè)備驅(qū)動和提供給上層配置的接口。LINUX操作系統(tǒng)支持外接設(shè)備驅(qū)動程序以動態(tài)方式加載，在系統(tǒng)啟動時，通過加載命令將驅(qū)動模塊加入到內(nèi)核中；使用外接設(shè)備時，在應(yīng)用程序中將該設(shè)備用“open”系統(tǒng)函數(shù)打開，即可對其進行讀寫操作，還可通過設(shè)備配置接口對其進行控制操作。設(shè)備驅(qū)動主要過程為：CPU通過訪問與操作FPGA寄存器，下載文件到FPGA內(nèi)部，從而可以使用FPGA的I/O口，相當(dāng)于擴展了I/O口；然后通過FPGA的I/O口進行spi、IIC等接口的時序模擬，實現(xiàn)多個外接設(shè)備的驅(qū)動。

3.2 雙核通信模塊

雙核通信模塊由設(shè)備驅(qū)動和通信接口擴展程序組成。ARM在LINUX啟動后，讀寫固定的內(nèi)存區(qū)域，等待DSP返回操作結(jié)果，就可進行數(shù)據(jù)通信。由于ARM與DSP異步雙核的特性，ARM上同時運行LINUX與DSP的操作系統(tǒng)，共享內(nèi)存會導(dǎo)致兩系統(tǒng)地址運行沖突；修改內(nèi)存地址，使LINUX系統(tǒng)運行在高48Mbyte的內(nèi)存空間，即可解決沖突，OMAPL138處理器異步雙核通信也能夠正常使用。集成ARM與DSP雙核，共享所有外設(shè)特性和內(nèi)存，實現(xiàn)ARM與DSP的讀寫功能，能使ARM與DSP讀寫速率更快，更穩(wěn)定[13-14]；同時,開發(fā)人員還可與TI公司共同設(shè)計算法，在ARM調(diào)用數(shù)字信號處理功能的擴展接口，為上層應(yīng)用提供監(jiān)控支持。

3.3 數(shù)字信號處理模塊

數(shù)字信號處理芯片選擇TI公司的GC5330，數(shù)字信號處理模塊運行在DSP上，基于DSP的操作系統(tǒng)，使用TI公司提供的代碼和算法，實現(xiàn)所需的數(shù)字信號處理功能。TI公司為DSP核開發(fā)了一個尺寸可裁剪的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，主要由多線程實時內(nèi)核，芯片支持庫與實時分析工具構(gòu)成，可以方便快速地開發(fā)DSP核的應(yīng)用程序，制作數(shù)字信號算法，配置芯片外設(shè)，實時監(jiān)測等。因此，開發(fā)人員可以把研發(fā)力量集中在ARM。ARM在數(shù)字信號處理模塊的工作是發(fā)起數(shù)字處理命令，通過通信模塊傳輸給DSP，DSP配合GC5330芯片處理，將結(jié)果返回ARM。

4 雙核通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

平臺支撐與雙核通信模塊都是運行在基于LINUX系統(tǒng)的ARM上，數(shù)字信號處理模塊運行在DSP上。由于BSP系統(tǒng)運行在ARM上，ARM與DSP沒有直接通信通道，通過與DSP共享內(nèi)存通信的方式，完成ARM與DSP異步雙核間通信功能，并提供通信接口擴展功能。下面詳細說明雙核通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。

4.1 ARM與DSP的硬件接口

OMAPL138物理上包含ARM926EJ-S和DSP6748雙核心，都能夠共享CPU自身所有外設(shè)資源，因此內(nèi)存可作數(shù)據(jù)交換的通道。CPU與內(nèi)存通過EMIFA總線連接，訪問內(nèi)存時直接通過總線進行控制，相對以往的聯(lián)接方式，其讀寫速率提高了，硬線接口減少了，更為重要的是穩(wěn)定性更強[15]。根據(jù)CPU的特點，ARM與DSP核的共享內(nèi)存通信，是指在包含多核的嵌入式系統(tǒng)中，需要多次訪問存儲器數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)從存儲器放入到緩存，并及時更新，便于快速訪問。由于ARM與DSP使用不同操作系統(tǒng)平臺，不能使用標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用來完成共享內(nèi)存的操作，因此需要制定一個共享內(nèi)存機制來實現(xiàn)ARM與DSP平臺上的讀寫控制操作。

4.2 ARM與DSP讀寫驅(qū)動

由于使用TI公司提供的數(shù)字信號處理模塊代碼，只需要完成ARM與DSP通信功能即可，因此與TI公司共同制定出特定共享內(nèi)存訪問機制。此機制是在內(nèi)存中劃出一段獨立區(qū)域，利用此區(qū)域進行數(shù)據(jù)交互，完成讀寫操作。另外，共享內(nèi)存可解決雙核同步問題，通過對共享內(nèi)存變量的讀寫，來控制兩端數(shù)據(jù)訪問的時機。內(nèi)存地址的名稱、位置、用途如表1所示。

表1 雙核交互地址表

當(dāng)ARM將請求寫入特定地址，DSP就從表1中的地址名讀取命令字大小、類型、數(shù)據(jù)，根據(jù)命令字執(zhí)行不同的控制字算法，并返回結(jié)果給ARM，完成數(shù)據(jù)交換操作。雙核同步機制下，ARM寫入控制字前，會讀取DPD_REG_CMD_FLAG狀態(tài)，如果DSP處于工作中或者異常，ARM將不能寫入新的命令，否則可寫入DDR(Double Data Rate)共享內(nèi)存，ARM與DSP讀寫同步操作。ARM與DSP交互代碼流程說明如下：

控制字執(zhí)行函數(shù)名

{

讀取DPD_REG_CMD_FLAG和DPD_REG_RSP_FLAG狀態(tài)

任何一個小于0，將返回DSP執(zhí)行異常；

寫命令字的大小到地址DPD_REG_PARAM_WORDS

寫命令字的數(shù)據(jù)到地址DPD_REG_PARAM_BUF

寫命令字的校驗碼到地址DPD_REG_PARAM_CHKSUM

寫命令字類型到地址DPD_REG_CMD_FLAG

循環(huán)讀取DPD_REG_CMD_FLAG 狀態(tài)

{

==0時，跳出循環(huán)執(zhí)行后續(xù)步驟。

不等于0時，返回執(zhí)行錯誤

}

循環(huán)讀取DPD_REG_RSP_FLAG狀態(tài)

{

小于0時，返回執(zhí)行錯誤；

==輸入命令字類型，讀取DPD_REG_PARAM_BUF數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)返回。(寫操作忽略此步)

}

}

詳細流程如圖3所示。

圖3 ARM與DSP驅(qū)動交互圖

ARM與DSP通信時，通過共享內(nèi)存發(fā)送與接受對方的控制命令，ARM不需要實時獲取DSP返回信息，通過在上層編寫測試函數(shù)，對接口進行測試，保證通信正確性和穩(wěn)定性即可。運行在DSP核的數(shù)字信號模塊的算法通過封裝，提供給ARM核的應(yīng)用程序。由ARM發(fā)起，DSP與GC5330處理后返回給ARM。

4.3 LINUX底層擴展內(nèi)存地址

LINUX系統(tǒng)運行在ARM核上，使用后，BSP系統(tǒng)共享內(nèi)存必定會跟LINUX系統(tǒng)產(chǎn)生沖突，因此需要將DSP使用的內(nèi)存空間與ARM運行LINUX的內(nèi)存空間分隔開來。例如，內(nèi)存大小為128Mbyte，DSP運行時需要使用80Mbyte，剩余48Mbyte分配給LINUX使用。除LINUX系統(tǒng)外，ARM上還運行了引導(dǎo)程序UBOOT(Universal Boot Loader)，因此所有程序的地址都要偏移，需要偏移的配置修改如下：

(1)系統(tǒng)引導(dǎo)程序UBOOT區(qū)域

內(nèi)核啟動參數(shù)地址是指LINUX內(nèi)核啟動參數(shù)的讀取地址，如文件系統(tǒng)類型、分區(qū)大小、使用內(nèi)存大小等啟動參數(shù)。

內(nèi)核啟動參數(shù)修改前：

電源對任何電路而言，都是不可或缺的。電源的形式各種各樣，那么汽車電路中的電源會是什么樣的呢？它的電源電路又是如何構(gòu)成的？在汽車電工電子技術(shù)中，很顯然，這是一個非常重要的問題，為了解決這一問題，我們設(shè)置了如下一項任務(wù)，如表1所示(見下頁)：

include/configs/board-name_evm.h

#define LINUX_BOOT_PARAM_ADDR(PHYS_SDRAM_1 + 0x100)

內(nèi)核啟動參數(shù)修改后：

include/configs/board-name_evm.h

#define LINUX_BOOT_PARAM_ADDR(0xC0000000)

TEXT_BASE是設(shè)置引導(dǎo)程序UBOOT在內(nèi)存中的運行地址。

TEXT_BASE地址修改前：

Board/davinic/board-name_evm/config.mk

TEXT_BASE地址修改后:

Board/davinic/board-nam_evm/config.mk

TEXT_BASE=0xC6080000

(2)Linux系統(tǒng)區(qū)域

操作系統(tǒng)內(nèi)核kernel運行機制地址是用來存儲LINUX啟動后的運行地址。

運行機制地址修改前：

arch/ARM/mach-davinci/include/mach/memory.h:

#define DAVINCI_DDR_BASE 0x80000000

運行機制地址修改后：

arch/ARM/mach-davinci/include/mach/memory.h:

#define DA8XX_DDR_BASE 0xc0000000

操作系統(tǒng)內(nèi)核kernel導(dǎo)入與執(zhí)行地址是用來創(chuàng)建kernel image的。

導(dǎo)入與執(zhí)行地址修改前：

arch///Makefile.boot

zreladdr-y:=0xc0008000

params_phys-y:=0xc0000100

initrd_phys-y:=0xc0800000

導(dǎo)入與執(zhí)行地址修改后：

arch///Makefile.boot

zreladdr-y:=0xc5008000

params_phys-y:=0xc5000100

initrd_phys-y:=0xc5800000

5 測試分析

對于傳統(tǒng)的CPU來說，需要通過相應(yīng)的通用主機端口與DSP進行通信，不同頻率、不同架構(gòu)的CPU與DSP通信會存在傳輸速率、兼容性的問題。在本文描述的系統(tǒng)中，采用TI的OMAPL138芯片做CPU，這一問題得到改善。利用該平臺的LINUX設(shè)備驅(qū)動測試功能，在應(yīng)用層通過管理設(shè)備輸入輸出通道的ioctl函數(shù)發(fā)起讀寫操作，可以對系統(tǒng)進行性能測試分析。如對模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC讀寫功能、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC讀寫功能、電可擦除只讀存儲器EEPROM設(shè)備讀寫功能，分別進行測試，由于EEPROM設(shè)備有讀寫次數(shù)限制，故不作壓力測試，ADC、DAC將做讀寫壓力測試。具體測試條件、步驟及測試結(jié)果如表2所示。

表2 平臺設(shè)備驅(qū)動測試結(jié)果

6 結(jié)語

在雙核通信模塊中，利用OMAPL138芯片集成ARM+DSP異步雙核并且共享所有外設(shè)特性，使用共享內(nèi)存的方法實現(xiàn)ARM與DSP讀寫功能。由于使用OMAPL138異步雙核的特性，ARM上LINUX與DSP系統(tǒng)同時使用共享內(nèi)存會出現(xiàn)沖突；通過偏移功能使得ARM上LINUX能夠運行在高48Mbyte空間，使得OMAPL138異步雙核雙系統(tǒng)能夠正常使用。該方案為通信部門提供了采用異步雙核處理器的數(shù)字中頻盤的解決方案，為數(shù)字中頻盤BSP系統(tǒng)設(shè)計從VXWORKS系統(tǒng)轉(zhuǎn)型為LINUX系統(tǒng)提供了堅實基礎(chǔ)。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于數(shù)字中頻盤，通過入網(wǎng)測試，性能指標(biāo)良好。

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Design and Implementation of a Dual-Core Communication BSP System Based on LINUX

YE Jing1，ZHANG Yue-hua2

(1.School of Electronic Engineering, Wuhan Vocational College of Software and Engineering,Wuhan Hunan 430205,China;2.Siemens Ltd.,China Corporate Technology, Wuhan Hunan 430000,China)

With the development of wireless communication technology, the software and hardware of product costs are increasing. A BSP (Board Support Package) system based on LINUX for Digital Intermediate Frequency board can enrich the base station software resources， and reduce the costs. The system design analyzes the hardware structure, the software modules, describes the platform support module, the dual-core communication module, the digital signal processing module, design and implementation of the dual-core communication module. Data communication module is responsible for a set of access mechanism for inner communication between ARM and DSP on Digital Intermediate Frequency board. Since the CPU chip contains the ARM+DSP asynchronous dual core and shares all CPU resources, the data communication module could use shared memory to implement communication function. ARM and DSP could communicate by shared memory control, the integrality and validity of interact operation is ensured by signal operation. The system has been used in wireless communications, get a good performance.

BSP; embed; LINUX; dual-core communication; ARM; DSP

2017-01-09

湖北省教育廳科學(xué)研究計劃資助項目“圖像載體統(tǒng)計特性約束的信息隱藏模型研究”(Q20161508)；武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院技術(shù)服務(wù)項目“嵌入式平臺BSP技術(shù)開發(fā)研究”(2013J005)。

葉 莖(1983- )，女，講師，碩士，從事電子技術(shù)與自動化控制研究。

張躍華(1983- )，男，研究員，碩士，從事智能制造研究。

TN92

A

2095-7602(2017)04-0019-07