摘要:文章研究了多种处理器协同工作的方法,介绍了三种(DSP、ARM、Nios II)不同类型的处理器构成的系统,列出了系统的整体结构图和各子系统的结构图,并使用该多处理器系统实现了简易数字示波器、频谱分析仪一体的测量仪器,列出了实际系统的硬件结构和软件流程图,以及不同种处理器间的通信方式。

　　关键词:多处理器;DSP;ARM;Nios II;系统结构;测量仪器设计
　　中图分类号:TP216文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0030-02
　　
　　两个或多个微处理器一起工作来完成某个任务的系统称为“多处理器系统”。
多处理器系统是目前信息技术的重要研究领域,也是下一代信息系统的系统设计技术。
目前使用的多处理器系统大多数是以同种处理器构成的,而实际需要的目标系统往往包含性能需求不同的几个子系统或者功能模块,如果使用性能相同或相似的同种处理器就容易造成资源浪费或不足,这种情况下,使用不同种处理器根据各自特点来设计系统就能通过合理的模块划分实现资源配置的最优。
本文的简易示波和频谱测量仪器正是基于这种考虑而设计的。

　　现有的示波器和频谱分析仪通常是独立的,测试人员在对系统或电路进行测量时,往往需要知道信号的时域和频域两方面的特性,这样就必须使用两台测量仪器,这是由仪器本身的复杂性决定的。
本文所设计的基于不同种处理器的测量仪器,能够同时分析信号的时域和频域特征,为电子、通信、控制等领域的工程师和研发人员方便地测试系统提供了可能。

　　一、多处理器系统结构
　　(一)系统整体结构
　　本文设计的多处理器系统由ARM9嵌入式处理器、DSP和Nios II三种处理器组成,三种处理器系统分别制作PCB板,通过总线的方式互连,并连接至底板,由此三种处理器组成的多处理器系统整体结构框图如图1所示:
　　图1所示由不同种处理器构成的多处理器系统,是要同时实现简易数字示波器和频谱分析仪两项功能,也就是说用一套系统实现两种测量仪器。
根据各种处理器自身的特点,将要实现的功能进行了功能模块的化分。
在按键控制使能下,Nios II系统通过高速A/D芯片得到信号源的样值,并通过串口将样值编码发送给ARM9系统,同时抽取一部分样值编码发送给DSP系统,ARM9系统采用描点法将接收到的样值编码在液晶显示屏上绘制出信号波形,而DSP系统将接收到的样值编码进行FFT运算,以得到信号的频谱特征,计算完成后,DSP系统将信号的频谱值发送给ARM9系统,ARM9系统将频谱在液晶显示屏上显示出来。

　　(二)各功能模块基本结构
　　本文所设计的多处理器系统是由三种不同处理器的开发板和带有液晶显示屏的底板构成,各个功能模块分别独立开发,然后按照通信协议将几种处理器系统连接起来,使其协同工作。

　　根据奈奎斯特抽样定理,要无失真的恢复原信号,在进行A/D变换时,抽样频率应为原输入信号最高频率的2倍以上。
为了加宽测试信号的频谱范围,得到准确度较高的信号波形,前端需要使用高速A/D。
本系统选用AD公司的AD9283BRS-80,该芯片是一片8bit采样频率达到80MHz的A/D转换芯片,并且该芯片的供电电压只需3V。
理论上来说,输入信号的频谱宽度可达40MHz,但为了保证信号波形的完整和稳定,经过实测,本文要求输入信号广东深圳专业医疗设备工业产品设计剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用中的高次谐波分量不高于30MHz。
一般来说,单片机等低速处理器很难满足如此高的采样速度,但对于以FPGA为物理载体的SOPC技术却能比较容易的实现。
本文使用了Altera公司的以Nios II处理器为核心的SOPC系统来接收高速的模数转换后的数据,Nios II处理器是一种32bit嵌入式微处理器软核,使用RISC指令集,利用IP核复用技术构建系统,本文设计的SOPC系统在EP1C6Q240C8 FPGA上实现。
本功能模块的结构图如图2所示:
　　Nios II系统使用双串口,分别与ARM9系统和DSP系统的串口连接,实现数据和握手信号等控制信号的传输。
ARM9系统采用SAMSUNG公司的S3C2410为主芯片,S3C2410采用了ARM920T内核,0.18um工艺的CMOS标准宏单元和存储器单元。
其低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用,而且S3C2410丰富的片内资源和接口也为设计者的开发提供了便利。
ARM9系统接收Nios II系统和DSP系统两个系统发送来的数据,并采用描点法在液晶显示屏上分别显示信号的时域波形和频域波形,简单地说,本部分相当于显卡的功能。
该功能模块的结构图如图3所示:
　　频谱分析仪包括模拟式频谱分析仪和数字式频谱分析仪两种,而数字频谱分析仪最常用的设计方法就是FFT方法。
这种频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(A广东深圳专业医疗器械设备工业产品设计论多层建筑结构设计及剪力墙结构设计DC)对输入信号取广东深圳专业医用设备器材工业产品设计建筑结构设计中剪力墙结构设计的应用样,再经FFT运算后获得频谱分布图。
FFT运算时间与需要的乘法次数和处理器的速度有关,每个FFT输出结果所需的乘法次数为:
　　(1)
　　式(1)中N为取样点数,对于N=1024点FFT,需要5120次乘法。
DSP处理器由于其自身的硬件特点,非常适合做计算复杂的运算,而1024点FFT(快速傅里叶变换)又经常作广东深圳专业医疗设备开发公司工业产品设计产品＆信息为衡量DSP器件性能的常规基准程序之一。
选用DSP芯片来进行FFT运算,能够满足频谱分析仪对高频率、高分辨率和高速的要求。
本文选用的是TI公司的TMS320C6713芯片,该芯片是TMS320C6000系列中最快的一款浮点处理器,其主频可达200MHz,为高精度和快速应用提供了硬件支持。
本模块主要功能即是从Nios II模块取得A/D变换后的1024个样点数据,对其进行FFT变换,并将得到的频谱数据发送给ARM9模块。
该功能模块的广东深圳专业鑫高益磁共振产品设计公司医疗责任保险和医疗责任风险金模式比较研究结构图如图4所示:
　　二、系统硬件连接及通信
　　本文所设计的多处理器系统由ARM9处理器、DSP处理器和Nios II处理器组成,各处理器分别制作成PCB板,各板之间的连接通过自定义的A、B、C三条总线连接,对于多处理器系统,一个重要的问题是处理器间的通信问题。
处理器必须能够互通信息,以保持系统所有部分的同步和样值数据的流动。
多处理器间的通信问题通常包括点对点通信和全局共享访问通信两种方案。
在点对点通信方案中,数据简单地以“生产线”的方式从一个处理器流向另一个处理器,单独的样值或样值包被分阶段处理。
算法分成分离的子任务,并平均地在各个处理器中分配,如图5所示:
　　图5点对点通信示意图
　　由于结构简单,能够很容易地看出特定算法被分成了哪几个任务以及任务如何在单个器件中分配,本文设计的多处理器系统采用了点对点的通信方式,即各模块之间通过各自的串口与其他模块通信。
各功能模块的串口均设置为8位数据位,无奇偶校验位,1位停止位,无流控制,波特率为115200。
通信协议主要包括两个部分,即联机状态查询和收发数据启动。
具体说来,发送方首先向接收方发送“0×55”,接收方在确认收到“0×55”并且空闲时,向发广东深圳专业医疗产品器械工业产品设计2015产品设计红点奖送方回复“0×33”表示已联机并处于空闲状态;发送方接收到“0×33”确定接收方空闲时,向其发送“0×aa”告知其将要发送有效数据,接收方在接收到“0×aa”后认为该字节以后的数据均为有效样值点,对其进行相应的处理。

　　三、系统软件设计
　　本文设计的多处理器系统,根据三种处理器各自特点的不同,进行了任务的划分,并分别编写了软件程序。
Nios II系统主要完成A/D采集的样点的初始处理,主要包括在一个样本周期内选取2048个点直接发送给ARM9部分,再从该2048个点中选取1024个点发送给DSP部分;DSP部分对接收到的广东深圳专业医疗器械设备工业产品设计军工采购在深圳1024点数据直接进行FFT运算,然后得到其频谱,简单起见,本文只将计算所得频谱的幅度谱数据发送给ARM9部分;ARM9部分根据接收到的Nios II数据和DSP数据,在TFT液晶显示屏上绘制信号的时域波形和频谱。
系统的整体软件流程图如图6所示:
　　图6系统整体软件流程图
　　四、结语
　　本文设计的多处理器系统,最显著的特点就是综合考虑了各种处理器的性能特点,通过合理的功能模块划分,实现了系统资源的合理配置,提高了系统的实时性和稳定性,并在此基础上完成了数字示波与频谱分析测量仪器的设计。
该设计由于兼顾了信号的时域分析与频域分析,因此能够简化测试工程师对系统或电路的测试工作。
同时,本文给出的设计方案也可以作为系统级IC设计工程师的参考。

　　
　　参考文献
　　[1]李莹,李燕.基于Nios II的多处理器系统设计方法[J].单片机与嵌入式系统应用,2007,(3).
　　[2]Niu Wenliang, Li Zheying,Han Xi.DFG model of measurement instrument based on SOPC technology[J].ISTM 07. Proc,Aug.2007.
　　[3]Andrew Bateman.The DSP Handbook Algorithms, Applications and Design Techniques [M].Prentice Hall PTR,Har/Cdr edition,2002.
　　
　　作者简介:吕来利(1972-),男,华北电力大学电气与电子工程学院工程师,研究方向:电力系统及自动化。