現(xiàn)今的信號處理設(shè)備越來越復(fù)雜，不僅要求高速的處理能力，而且要求功能多樣化，僅僅追求速度已經(jīng)不能滿足需求。尤其在復(fù)雜多變的環(huán)境中，要求信號處理機能夠完成多種處理功能，并能方便靈活地切換工作模式。因此有必要發(fā)展一種可重構(gòu)和可擴展的通用信號處理系統(tǒng)，能將信號處理機多功能化、模塊化、標準化和通用化。將嵌入式操作系統(tǒng)與高速實時信號處理機結(jié)合，可以很好地實現(xiàn)這些要求。在雷達系統(tǒng)中，信號處理不僅需要很高的處理速度，而且要滿足控制顯示多方面的需求，如果沒有操作系統(tǒng)，實現(xiàn)起來不僅復(fù)雜而且不便于系統(tǒng)的模塊化和標準化。因此，采用實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的控制和顯示功能。本文主要介紹了為什么使用實時操作系統(tǒng)以及基于DSP/BIOSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計思想和方案。

　　1、總體硬件方案設(shè)計

　　本信號處理機以TMS320C5509作為整個系統(tǒng)的，由于考慮到圖像的緩存需要較大的存儲空間，所以擴展了三星公司的16 Mb的SDRAM--KM416S1020C作 為擴展存儲器。整個系統(tǒng)的工作流程是由控制器和D/A提供給前端采樣頭所需的信號，并啟動A/D對采樣頭傳來的模擬信號進行采樣，DSP接收之后做相應(yīng)的信號處理，根據(jù)鍵盤的設(shè)定將圖像按照一定的要求顯示到彩色圖形液晶上，并通過USB接口將數(shù)據(jù)傳送到PC機存儲以便做進一步的處理和顯示?？傮w硬件框圖如圖1所示。

　　TMS320C5509數(shù)字信號處理器是德州儀器公司（TI）TMS320C5000系列中新推出的一種，極大降低了功耗，達到了每個MIPS只需0.05 mW的水平，與市場上的主流產(chǎn)品TMS320C54x相比，功耗降低了6倍。TMS320C5509的內(nèi)核是從TMS320C54x上發(fā)展而來的，所以可以完全兼容現(xiàn)在市場主流的TMS320C54x系列處理器的指令，既保護了用戶在軟件方面的投資，又使得熟悉TMS320C54x編程的軟件人員幾乎不用再學(xué)習(xí)就可以編寫他的軟件。同時，TMS320C5509中還集成了大量諸如AD,USB控制器之類的片內(nèi)外設(shè)，使其成為了一款具有SOC（片上系統(tǒng)）性質(zhì)處理器，用戶只需外加很少的輔助器件就可以構(gòu)成一個較完整的DSP系統(tǒng)。從以上特點可以看出，TMS320C5509非常適合于應(yīng)用在便攜式系統(tǒng)中。

　　2、實時操作系統(tǒng)DSP/BIOSⅡ的簡介

　　DSP是一種基于精簡指令集的可編程數(shù)學(xué)計算芯片，可以對數(shù)字信號進行時頻域變換、頻譜分析、濾波、估值、增強、壓縮等處理，廣泛應(yīng)用于家用電器、多媒體系統(tǒng)、雷達、衛(wèi)星系統(tǒng)、移動通信、網(wǎng)絡(luò)會議、醫(yī)學(xué)儀器、實時圖像識別與處理、語音處理、自適應(yīng)制導(dǎo)控制、模式識別、定位、導(dǎo)航、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)和智能基站等領(lǐng)域。本文重點介紹通用DSP在雷達信號處理系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，以及研制基于DSP的雷達信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　作為面向數(shù)字信號處理的可編程嵌入式處理器，DSP具有高速、靈活、可靠、可編程、低功耗、接口豐富、處理速度快、實時性好等特點。雷達信號處理系統(tǒng)所涉及的主要技術(shù)，包括數(shù)據(jù)重采樣、參數(shù)估計、自適應(yīng)濾波、恒虛警處理、脈沖壓縮、自適應(yīng)波束形成和旁瓣對消等，通常需要完成大量具有高度重復(fù)性的實時計算。DSP可以利用硬件算術(shù)單元、片內(nèi)存儲器、哈佛總線結(jié)構(gòu)、專用尋址單元、流水處理技術(shù)等特有的硬件結(jié)構(gòu)，高速完成FFT、FIR、復(fù)數(shù)乘加、相關(guān)、三角函數(shù)以及矩陣運算等數(shù)字信號處理。因此，DSP非常適合雷達數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)。

　　TI公司的DSP/BIOSⅡ是一種專門為TI公司的TMS320系列DSP芯片設(shè)計的嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。主要由5個部分組成：

　?。?）線程和調(diào)度（Procedure and Scheduling）

　　DSP/BIOSⅡ提供了4種不同的執(zhí)行線程，包括HWI（硬中斷任務(wù)）、SWI（軟中斷任務(wù)）和TSK（任務(wù)）等，每一類線程又具有不同的執(zhí)行、掛起、休眠等特性。DSP/BIOSⅡ支持基于靜態(tài)優(yōu)先級的調(diào)度方法，又可以通過修改內(nèi)核提供搶先式多任務(wù)服務(wù)。

　?。?）硬件抽象（Hardware Abstraction）

　　他提供了PIP和SIO兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，可以方便DSP與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換。Pipe（數(shù)據(jù)管道）使用了較少的內(nèi)存，并且傳輸?shù)乃俣瓤臁⑿矢?。SIO（流）對內(nèi)存有了更高的抽象，便于創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動程序更加結(jié)構(gòu)化的方法。

　?。?）資源管理（Resoure Management）

　　利用DSP/BIOSⅡ的邏輯接口可以對特定的硬件部分進行訪問和配置。DSP/BIOSⅡ不僅可以通過其設(shè)置工具來定義內(nèi)存映射、中斷向量表而且還可以設(shè)置定時器、串行口等硬件設(shè)備。

　　（4）通信和同步（Communication and Synchronization）

　　DSP/BIOSⅡ支持旗語（Semaphores）、郵箱（Mailbox）和數(shù)據(jù)隊列（Queue）等多種內(nèi)部線程通信和同步的方式。旗語是主要的同步方式，可以使任務(wù)通過旗語來運行和掛起，還可以用互斥旗語來管理緩沖區(qū)和設(shè)備。

　?。?）實時分析（Real-Time Analysis）

　　實時分析工具能夠讓開發(fā)者在程序執(zhí)行期間對DSP進行交互和診斷。DSP/BIOSⅡ不僅提供了常用的日志（LOG），STS,TRC模塊，還提供了CPU負載圖（CPULoad Graph）、執(zhí)行圖（Execution Graph）等多種更方便的調(diào)試和觀察工具。

　　3、基于DSP/BIOSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　使用DSP/BIOSⅡ來做項目的步就是模塊劃分，即把項目所要完成的功能拆分成幾個相對獨立的線程來完成（可以認為線程在運行時是獨占DSP的），根據(jù)線程中使用硬件資源的情況考慮用什么類型的線程來完成。一般來說，用到硬中斷的任務(wù)放到HWI來完成，用到定時器的任務(wù)可以放到PRD（周期任務(wù)）中完成。然后是確定線程之間的關(guān)系，根據(jù)他來設(shè)定各個線程的優(yōu)先級，以及用 什么方式通訊和交換數(shù)據(jù)。旗語是便于使用的通訊方式。

　　探地雷達信號處理機的信號處理過程：A/D每采來一列數(shù)據(jù)之后給DSP發(fā)一個硬中斷信號，每接收到一列數(shù)據(jù)之后，DSP對這列數(shù)據(jù)分別進行平均濾波和自適應(yīng)濾波，同時進行列計數(shù)；當列計數(shù)到達一幀時，對這一幀圖像信號進行小波去噪處理和脈沖壓縮，根據(jù)鍵盤的設(shè)定把圖像顯示到圖形液晶上，并通過USB接口送到PC主機，以便下一步的處理。

　　根據(jù)以上的執(zhí)行過程，整個軟件分解為12個獨立的任務(wù)，其中列中斷、USB數(shù)據(jù)傳送這2個模塊是HWI（硬中斷）類型的任務(wù)，鍵盤模塊屬于PRD（周期性）任務(wù)（完成對鍵盤定期掃描），其余模塊是SWI（軟中斷）類型的任務(wù)。初始化任務(wù)完成對DSP的初始設(shè)定后就刪除；列中斷任務(wù)負責給DSP發(fā)送列數(shù)據(jù)來臨信息，觸發(fā)列平均、列自適應(yīng)任務(wù)，完成對一列數(shù)據(jù)的去噪處理；列計數(shù)模塊完成對列中斷的計數(shù)，當?shù)竭_一幀時，發(fā)送幀中斷，觸發(fā)一系列針對幀的數(shù)據(jù)處理任務(wù)；整個軟件系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖2所示。

　　DSP/BIOSⅡ提供了強大的分析調(diào)試工具。除了常用的方法之外，CPU負載圖和執(zhí)行圖是兩種非常有效的方法。CPU負載圖提供的是目標CPU的負載曲線。CPU負載的定義是除去執(zhí)行優(yōu)先級任務(wù)以外的時間量。優(yōu)先級任務(wù)是只在其他線程都不運行時才執(zhí)行的任務(wù)。因此，CPU負載圖包括從目標向主機傳送數(shù)據(jù)和執(zhí)行附加后臺任務(wù)所需的時間。在執(zhí)行圖中，可以看到各個線程的活動方式。圖形中還包括了信號量的活動，周期性函數(shù)標記（tick）和時鐘模塊標記。執(zhí)行圖能從整體上看到項目所有線程的活動狀態(tài)。根據(jù)調(diào)試得到的信息可以評估線程的執(zhí)行情況和CPU的負荷情況，配合其他調(diào)試工具，修改設(shè)計直到完成項目的功能需要。

　　CPU負載圖反映的是軟件系統(tǒng)所需要的性能和CPU實際性能的比值，像PC機上性能統(tǒng)計圖，如果所需的性能大于DSP的實際性能，就必須修改設(shè)計、優(yōu)化算法、加快時鐘頻率，甚至更換性能更高的DSP芯片。

　　執(zhí)行圖顯示了各個任務(wù)執(zhí)行過程中的細節(jié)信息，對于嵌入式應(yīng)用而言，實時性是非常重要甚至是必須滿足的條件，操作系統(tǒng)按很小的間隔進行調(diào)度就是力圖保證系統(tǒng)響應(yīng)的實時性。但是在實際中，如果任務(wù)分配不好，使得任務(wù)不能在調(diào)度間隔內(nèi)完成，就會影響整個系統(tǒng)的實時性，這時，必須對任務(wù)劃分作合理的修改。

　　4、DSP/BIOSⅡ操作系統(tǒng)使用中要注意的問題

　　（1）很好地使用DSP/BIOSⅡ的關(guān)鍵在于很好地理解操作系統(tǒng)，這有點像算法理論和應(yīng)用算法的關(guān)系。操作系統(tǒng)凝聚了軟件領(lǐng)域幾十年發(fā)展中的精華，有很多概念和結(jié)構(gòu)是需要很深入的理解和思考的，所以，初學(xué)者一定得反復(fù)看看一些專門講操作系統(tǒng)的書籍。

　?。?）任務(wù)必須寫成下面2種形式之一。

　　在DSP/BIOSⅡ開發(fā)環(huán)境里沒有要求顯示調(diào)用OSTaskDel（），這是因為開發(fā)環(huán)境自動做了處理，實際原理都是一樣的。

　　5、結(jié)語

　　近年來，國內(nèi)外雷達技術(shù)研究進展迅猛，各種新體制雷達相繼問世，對雷達信號處理器的處理能力、存儲能力、可擴展性、軟件開發(fā)以及數(shù)據(jù)傳輸與互連能力等各個方面都提出了更高的要求。DSP技術(shù)的采用，增強了數(shù)據(jù)處理能力，提高了系統(tǒng)的性能指標，促進了現(xiàn)代雷達信號處理技術(shù)的發(fā)展。尤其是各種新型的DSP產(chǎn)品，對軟件、外圍接口技術(shù)和互連技術(shù)的良好支持，使雷達信號處理平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，系統(tǒng)的可擴展性得到提高。隨著DSP的開發(fā)和應(yīng)用的深入，DSP將在信息與信號處理、通信與信息系統(tǒng)、自動控制、雷達、軍事、航天和航空等許多領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

　　本文對探地雷達信號處理機的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計都做了介紹，重點介紹了如何在項目應(yīng)用中使用DSP/BIOSⅡ?qū)崟r嵌入式操作系統(tǒng)。實時嵌入式操作系統(tǒng)已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中必不可少的一部分，利用這方面的技術(shù)，提高嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的層次和深度是非常必要的。