隨著新市場的增長和隨之而來的技術(shù)要求，一些技術(shù)得到越來越多的利用。一種這樣的技術(shù)是數(shù)字信號處理 (DSP)，它可以采用芯片的形式，也可以作為 IP 內(nèi)核，為片上系統(tǒng) (SoC) 集成做好準備。雖然 DSP 已經(jīng)存在了很長時間，但新一代 DSP 支持對于解決某些市場很重要的功能。一個這樣的市場是物聯(lián)網(wǎng) (IoT)。由于許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性質(zhì)，它們受益于運行實時操作系統(tǒng) (RTOS)。本文著眼于如何將 DSP 和 RT-Thread RTOS 一起用于 IoT 應(yīng)用程序。?

DSP技術(shù)的演進

DSP 的目的是轉(zhuǎn)換和操作真實世界的模擬信號，這些信號在自然界中不斷受到重視。該操作是通過信號處理算法執(zhí)行的。作為自 1980 年代以來一直存在的技術(shù)，DSP 在硬件功能和軟件開發(fā)工具和基礎(chǔ)設(shè)施方面已經(jīng)發(fā)展了很多。早些年，算法是用匯編語言編寫到 DSP 上的。隨著 DSP 市場的擴大和算法變得更加復(fù)雜，架構(gòu)不斷發(fā)展以促進高級語言編譯器的開發(fā)。

具有嵌入式 DSP 內(nèi)核的芯片包括片上存儲器，通常足以包含執(zhí)行專用任務(wù)所需的完整程序。現(xiàn)代 DSP 應(yīng)用范圍包括音頻/語音處理、圖像處理、電信信號處理、傳感器數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)。然后是物聯(lián)網(wǎng)市場，它涵蓋了這些應(yīng)用程序在眾多用例中的組合。行業(yè)分析公司 Markets and Markets 預(yù)計，到 2027 年，全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將增長到 5664 億美元。

為什么 DSP 非常適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備？

物聯(lián)網(wǎng)就是通過使用不同類型的傳感器收集的數(shù)據(jù)來通信和連接現(xiàn)實世界中的事物。DSP 用于分析和處理從傳感器接收到的連續(xù)變化的信號。DSP 設(shè)計用于分析和處理音頻、視頻、溫度、壓力或濕度等真實世界的信號。例如，CEVA-SensPro2sensor hub DSP 系列設(shè)計用于處理和融合多個傳感器，以及用于上下文感知的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理。DSP 任務(wù)涉及精確和準確的實時重復(fù)數(shù)字計算。隨著物聯(lián)網(wǎng)市場的增長推動越來越多的傳感器的部署，收集到的所有數(shù)據(jù)都需要進行高效的實時處理。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上直接處理數(shù)據(jù)，而不是將其發(fā)送到云端進行處理，這是一個很大的推動力。

現(xiàn)在正在發(fā)生的另一個趨勢是越來越多地使用基于人工智能 (AI) 的算法在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上本地處理數(shù)據(jù)。人工智能算法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的，需要高水平的并行性才能有效執(zhí)行。計算并行性是 DSP 優(yōu)于通用中央處理器 (CPU) 的關(guān)鍵優(yōu)勢，為了滿足這一要求，現(xiàn)代 DSP 架構(gòu)正在使用寬向量和單指令多數(shù)據(jù) (SIMD) 功能。

簡而言之，基于 DSP 的強大解決方案可以滿足現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的高性能計算需求和低功耗需求。

為什么 DSP 非常適合 RTOS？

正如 DSP 是一種專用處理器一樣，RTOS 也是一種專用操作系統(tǒng)。DSP 致力于極其快速和可靠地處理真實世界的數(shù)據(jù)。RTOS 致力于可靠地滿足響應(yīng)/反應(yīng)時間的特定時序要求。由于 DSP 與通用 CPU 相比更緊湊，因此與常規(guī)操作系統(tǒng)相比，RTOS 也是如此。這些特性符合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的要求，使 DSP 和 RTOS 成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的完美匹配。

從歷史上看，嵌入式設(shè)備通常只有一個專用用途，并且通常可以使用 8 位或 16 位微控制器。這些設(shè)備可以在沒有 RTOS 的情況下進行管理。但是今天的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更加復(fù)雜，需要一個 32 位組合的 CPU 和 DSP 以及一個 RTOS 來管理控制功能和運行復(fù)雜的信號處理任務(wù)。

要問的問題是，現(xiàn)代 DSP 是否足以處理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的信號處理和控制功能。答案是，是的。提供面向 DSP 的功能和面向控制器的功能的混合 DSP 架構(gòu)正在迅速被物聯(lián)網(wǎng)和其他嵌入式設(shè)備采用。這種混合 DSP 支持超低指令字 (VLIW) 架構(gòu)實現(xiàn)、單指令多數(shù)據(jù) (SIMD) 操作、單精度浮點、緊湊的代碼大小、完整的 RTOS、超快速上下文切換、動態(tài)分支預(yù)測等。這消除了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上需要額外的處理器來運行 RTOS。

面向DSP的實時操作系統(tǒng)

基于 DSP 的 RTOS 旨在利用 DSP 的高性能特性。它是一個搶占式、基于優(yōu)先級的多任務(wù)操作系統(tǒng)，并提供非常低的中斷延遲。這些 RTOS 帶有驅(qū)動程序、應(yīng)用程序編程接口 (API) 和特定于 DSP 芯片的 DSP 功能的運行時芯片支持庫 (CSL)。可以控制所有片上外圍設(shè)備，例如高速緩存、直接內(nèi)存訪問 (DMA)、定時器、中斷單元等。這使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序開發(fā)人員能夠輕松配置 RTOS 以處理資源請求和管理系統(tǒng)。

RT-Thread，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實時操作系統(tǒng)

RT-Thread 是一個開源的實時操作系統(tǒng) (RTOS)。它展示了針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備優(yōu)化的資源占用率極低、可靠性高、可擴展性高的實時操作系統(tǒng)的特點。RT-Thread 由豐富的中間件以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所需的廣泛硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)提供支持。支持GCC、Keil、IAR等所有主流編譯工具，支持POSIX、CMSIS、C++應(yīng)用環(huán)境、Micropython、Javascript等多種標準接口。RT-Thread 還為所有主流 CPU 和 DSP 架構(gòu)提供了強大的支持。線程間通信和同步通過諸如 RTOS 消息傳遞、信號量等服務(wù)得到有效和一致的處理，RT-Thread 提供用于資源豐富的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的標準版本和用于資源受限系統(tǒng)的 Nano 版本。有關(guān)詳細信息，請參閱他們的網(wǎng)站：https://www.rt-thread.io/

據(jù)報道，截至 2021 年 12 月，RT-Thread 已為 15 億臺設(shè)備供電。[來源：RT-Thread]

CEVA DSP 和 RT-Thread RTOS

由于 CEVA 的 DSP 架構(gòu)原生設(shè)計為支持 RTOS 功能和超快速上下文切換，因此使用 CEVA DSP 和 RT-Thread RTOS 實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以處理不同資源之間的許多通信任務(wù)，而無需為此中斷 RTOS。例如，多核通信接口 (MCCI) 機制實現(xiàn)了內(nèi)核之間的命令通信和消息傳遞。內(nèi)核之間的通信是通過使用 AXI 從端口直接訪問專用命令寄存器來實現(xiàn)的。DSP 有專門的控制和指示來跟蹤通過 MCCI 的通信狀態(tài)。

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多核通信接口（來源：CEVA）

內(nèi)核之間的消息傳遞是通過使用每個 32 位的 MCCI_NUM 專用命令寄存器來執(zhí)行的。32 位 COM_REGx 寄存器由外部內(nèi)核通過 AXI 從端口寫入，內(nèi)核只讀。命令啟動器內(nèi)核最多可以同時寫入四個寄存器（128 位 AXI 總線）或同時寫入八個寄存器（256 位 AXI 總線）。

當啟動命令的內(nèi)核將命令輸出到 COM_REGx 時，尋址寄存器會更新，COM_STS 寄存器中的相關(guān)狀態(tài)位也會更新。此外，中斷 (MES_INT) 被斷言以通知接收到的內(nèi)核。

接收內(nèi)核讀取其中一個 COM_REGx 寄存器后，會向發(fā)起方發(fā)送讀取指示。讀取指示由接收內(nèi)核使用專用的 RD_IND（讀取指示）MCCI_NUM 位總線接口發(fā)送。RD_IND 總線的每一位分別表示來自 COM_REGx 寄存器之一的讀取操作。使用 IO 接口，接收內(nèi)核一次只能讀取一個 COM_REGx 寄存器。不僅使不同內(nèi)核之間的同步變得更容易，而且使這些內(nèi)核上的不同任務(wù)之間的同步變得更容易。

CEVA 已將許多不同的 RTOS 移植到其 DSP 產(chǎn)品中。最新添加的是對 RT-Thread RTOS 的普通版和 nano 版的支持。RT-Thread 已移植到多個 CEVA DSP，例如 SensPro2、CEVA-BX1、CEVA-BX2、CEVA-XC16 等。