基于Blackfin嵌入式系統硬件平臺的數碼相框設計詳解

當今的嵌入式應用已經無處不在，無論是消費電子、通信終端，還是系統設備、工業控制、汽車電子系統或航空航天，都無處不見嵌入式應用的身影?，F在，全球每年生產數十億顆微處理器，其中大部分都被廣泛應用于各類嵌入式系統。

目前，在嵌入式系統硬件平臺方面，各種微控制器以及數字信號處理器（DSP）產品，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、開發周期、技術難度等具體要求，都可以精心選擇出最具綜合優勢的硬件核心平臺。而在嵌入式操作系統方面，無論是開放源代碼的Linux陣營的各種商業版本或免費版本，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軟件平臺。

嵌入式系統的設計過程實際上就是一個軟硬件聯合協同開發的過程。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或離開操作系統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化的操作系統及軟件模塊資源，一些商業化的操作系統也針對主流的硬件平臺進行了優化設計，而且提供了眾多的第三方優化操作系統版本。這些資源對于嵌入式系統設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及其主流配套操作系統和相關資源的應用與設計方法，給出了用其設計嵌入式數碼相框的設計方案。

1 硬件處理器Blackfin的選擇

本設計選用匯聚式處理器Blackfin來構建獨特的嵌入式硬件平臺。匯聚式處理器Blackfin是由ADI和Intel公司聯合開發的微信號架構（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處理器能夠在旗號處理和控制應用中均發揮極佳的作用，并可在許多應用中免除增設單獨的異構處理器的必要，因而極大地簡化了硬件和軟件設計。Blackfin處理器非常適合于以會聚為關鍵技術的嵌入式音頻、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架構所具有的設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字家庭娛樂、網絡和流媒體、汽車遠程信息處理和信息娛樂、數字無線電，以及移動電視終端。

Blackfin處理器在單內核產品中可提供高達756MHz的性能，以及低至0.8V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據傳輸，而且其所需的處理器內核開銷極少。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的應用開發。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安全技術的一次性可編程存儲器。

Blackfin處理器架構完全符合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）代碼優化處理，因而不會遇到其他傳統處理器所常見的性能空間障礙。

2 uCLinux操作系統的選擇

嵌入式操作系統的選擇對于正在從事新的嵌入式開發項目來說，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勢外，強大的嵌入式操作系統資源也是嵌入式系統設計的一個關健因素。Blackfin處理器支持包括VisualDSP自帶的操作系統內核（VDK）、ThreadX、uCLinux和Nucleas等操作系統，這一特性可避免將操作系統從其它處理器平臺移植到Blackfin平臺時，因更改操作系統而延長的終端產品開發周期。各種操作系統各自都具有不同的特性功能以及不同的價格、版權費用等條款。從特性上看，嵌入式操作系統有代碼緊湊、復雜度低的操作系統VDK，也有復雜而具有豐富特性的操作系統uClinux，同時具有可靠性極高的INteGRI TY，以及專注于汽車市場需求的RTA-OSEK等。通過對各種操作系統的功能分析，本設計最終選擇了uCLinux操作系統來進行數碼相框的設計。圖1所示是其操作系統在Blackfin上的組織結構。

圖1 操作系統在Blackfin上的組織結構

Linux是一種獲得廣泛應用的嵌入式操作系統，在所有主流的嵌入式系統中，Linux操作系統無論是其超強的網絡功能、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。uClinux是針對微處理器應用的Linux系統，源碼完全開放，同時針對嵌入式應用的特點，uClinux對Linux的內核進行了修改和重新編譯，因而內核更小。uClinux也包含Linux常用的API，并保留了原來Linux操作系統具有的高穩定性、強大的網絡功能和卓越的文件系統支持功能。

uClinux操作系統可直接運行于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Linu x的。事實上，在面向特定的嵌入式應用時（例如內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。而本設計的主要特點之一，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動和應用例程，其中包括無線局域網驅動、音/視頻編解碼器驅動等，這些驅動可幫助客戶非常方便地將應用程序從原來的系統移植到Blackfin平臺上來。此外，ADI與Arcturus Networ ks公司還聯合推出了新型uCBF54x啟動開發工具套件和系統模塊。該開發套件提供的軟件包括開源uCliunx 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已經成為嵌入式系統領域最為穩定的嵌入式Linux發行包之一。

3 軟件開發工具環境

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

此外，ADI也為嵌入式系統開發提供了大量的系統服務程序，例如為嵌入式系統提供了各種常見功能的軟件庫，這些服務程序實際上就是可用于任何系統的公用程序，它們既可在未安裝RTOS的獨立式環境下運行，又可用于VDK環境。利用這些系統服務程序可以便捷、高效地接入Blackfin處理器的硬件子系統，包括鎖相環路、直接內存存取、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AM，各種應用和設備驅動程序也均可使用這些系統服務整序。這些系統服務程序中包含的軟件都已經經過反復測試，而且性能穩定可靠，設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++集成開發環境一起提供的。

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

4 嵌入式數碼相框的設計

圖2所示是一種基于Blackfin處理器BF52x開發的嵌入式數碼相框的功能圖，該產品具有互聯網WiFi無線連接、電子郵件發送、RSS新聞閱讀、即時照片分享、全觸摸操作等功能特性。本設計采用uClinux嵌入式操作系統。作為一款典型的消費電子產品，Blackfin可以直接運行于uClinux，這使得該設計能夠有效地降低整體成本，并可十分方便地將以往的設計軟件移植到新的系統中。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數碼相框的設計方案框圖

基于Blackfin處理器BF52x開發的嵌入式數碼相框的功能十分齊全，因此，設計時可以根據產品的開發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設計的、功能相對比較簡單的數碼像框的硬件結構圖。

圖3 簡單的數碼像框的硬件結構圖

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圖形化數據流開發環境擴展到高性能、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據轉換為模擬信號，然后通過音頻系統還原成聲音輸出。至于USB接口和圖片數據文件的輸出顯示，無論是硬件還是軟件驅動程序，目前都十分成熟而且簡單。

5 結束語

本文利用ADI公司的匯聚式處理器Blackfin作為嵌入式系統的硬件平臺，并采用uClinux為操作系統，同時采用ADI針對目標應用在uClinux操作系統中集成的大量硬件驅動（包括WiFi驅動、音/視頻編解碼器的驅動等）程序，給出了一種具有互聯網WiFi無線連接、電子部件發送、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碼相框的設計方案。事實上，由于本系統缺少存儲器管理單元（MMU），內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問題。