西安电子工程研究所 陕西西安 710100
摘要：现今的信号处理设备越来越复杂，由多个处理器构成的高性能嵌入式信号处理系统中，处理器之间、信号处理模块之间的通信带宽已经成为整个应用系统性能的瓶颈，不仅要求高速的处理能力，而且要求功能多样化，仅仅追求速度已经不能满足需求。尤其在复杂多变的环境中，要求信号处理机能够完成多种处理功能，并能方便灵活地切换工作模式。如果没有与高性能处理器同步的互连结构方案，就无法调动多个处理器的全部处理潜能，不能将信号处理机多功能化、模块化、标准化和通用化。本文对高性能嵌入式信号处理应用中用到的几种互连结构讨论互连结构，将嵌入式操作系统与高速实时信号处理机结合，可以很好地实现这些要求。
关键词：总线交叉；嵌入式信号处理系统；互连结构
引言：
随着半导体技术的发展，高性能处理器的处理能力已经有了很大幅度的提高。这些新的器件代表了目前嵌入式信号处理应用中对高性能、低成本、低功耗、小体积处理器的需求在不断地上升。用户可根据需要选择适当模块来裁剪及配置系统，从而有效地保证系统的安全性和可靠性。
1.嵌入式系统简介
1.1嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4部分组成。任何一个普通人都在使用各种各类形形色色的嵌入式技术电子产品，各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过通用计算机。随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。在个人领域中，嵌入式产品将主要作为个人移动的数据处理和通讯软件。一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围也将日益广阔。这种智能化，网络化将是家电发展的新趋势。随着Internet的迅速发展和廉价微处理器的出现，嵌入式系统将在日常生活里形成更大的应用领域。
1.2嵌入式系统与信号与信息处理专业的交叉
在大数据时代来临之际，信息的智能采集和获取变得十分的急迫，这时嵌入式系统能够发挥其体积小和功效优的特点。这一点在当前的物联网领域，智能家居和交通领域十分突出。总的来说，信号与信息处理专业研究是焦点是数据的从产生到应用整个流程的一系列处理。在实际应用中，结合体积、功效比这些应用条件，将这些数据处理算法移植到嵌入式平台，效果更为客观。这就是两者之间的交叉。
嵌入式系统在信号处理领域的应用
1.2.1在实时信号处理领域的应用。因此有必要发展一种可重构和可扩展的通用信号处理系统，能将信号处理机多功能化、模块化、标准化和通用化。将嵌入式操作系统与高速实时信号处理机结合，可以很好地实现这些要求。
1.2.2结合语音和图像/视频处理技术的应用。随着现代多媒体技术的飞速发展，音频视频处理技术不断进步，使嵌入式系统的多媒体化成为现实，视频监控中所采集的信息基本是以视频流的方式存在，而对于大多数的视频监控用户而言，他所关注的不是视频流中的具体图像，而是图像所包含的的内容信息，因此图像信息的编码和智能处理就成了信号与信息处理领域的学者应该解决的问题。
1.2.3结合模式识别和人工智能的应用。嵌入式系统与人工智能、模式识别技术的结合。伴随网络技术、网格计算的发展。
2.互连结构类型及发展方向
在互连结构的发展过程中，出现了各种各样的互连实现方式，归纳起来大概分成中间层总线；前面板总线和辅助底板总线等。
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2.1串行总线
总线是用来连接计算机中各个设备和部件的一组线路，它的目的是简化硬件结构和便于系统管理。在计算机系统中，总线的性能对整个系统的性能和功能都有直接影响。随着计算机技术的发展，特别是计算机网络的迅速发展，并行总线的带宽已经不能满足当前及下一代计算机系统的需求，串行总线凭借其传输速度快，扩展性好，逐渐在竞争中表现出其优点，在许多领域已经开始替代传统的并行总线。点串行传输的，即系统中两节点进行传输时其他节点间仍可进行数据传输，这样获得了更高的总线使用效率。可以获得更高的传输带宽。
2.1.1串行总线与并行总线相比，有如下优点：
串行总线有更高的带宽和传输速度，2）串行总线多使用交换开关的互连结构，节点间多为点对点的方式传输，3）串行总线连接引脚数量少，连接简单，4）串行总线以信息包为传输的基础，5）串行总线的故障诊断和调试非常简单，可以很容易地跟踪网络中一个有故障的器件并用新器件替换而不会干扰整个网络。
在并行总线中，多个设备共享总线带宽，即同一时刻只有一个设备可以占用总线，导致传输效率不高。频率提高时，时钟漂移对器件的传输性能和电路结构要求越来越严格，而且会降低总线上的电气负载数目，加大设计难度。所以通过提高频率来提高并行总线传输带宽比较困难，而通过扩充总线条数的方法则带来引脚数增多和PCB板的设计复杂性的问题，致使系统成本提高，可靠性降低。并行总线的效率和带宽都已满足不了当今的需求。
与传统的并行总线相比，串行总线中数据是点对且提出了许多不同标准和专用构造。如嵌入式领域的RapidIO技术，针对商用PC机的PCI-Express技术，面向服务器机群的InfiniBand技术，和对现有网络进行扩展升级的StarFabric技术。
2.2中间层总线
中间层总线通过在应用系统外围和处理器间提供专用数据通道来改善系统性能。中间层总线主要有两种：PCI中间层卡（PMC）和速度接口中间层（VIM）。
2.2.1PCI中间层卡（PMC）
PMC获得了VMEbus制造商和Compact PCI总线制造商的支持。PMC规范是两个标准的结合：定义物理特性的通用中间层卡（CMC）格式和定义电气接口的PCI标准。
2.2.2速度接口中间层（VIM）
VIM规范是为满足诸如TMS320C6x的高速DSP的需要而开发的。VIM 160脚的处理器节点直接连接到每个DSP的私有资源上，且包含三中类型的接口。
2.2.3前面板串行接口
高速串行接口采用同轴电缆和光纤电缆介质。提供的一些性能优势甚至可与最快的并行总线的性能想媲美。
2.2.4辅助底板总线
前面板总线互连为系统设计者解决了许多互连问题，但却带来了一些复杂性，如必须构造、收集、安装和维护不同类型的电缆。
2.3低压差分信号 其特点是：1、低电压电源的兼容性；2、低噪声；3、高噪声抑制能力4、可靠的信号传输5、能够集成到系统级IC内使用LVDS技术。LVDS的应用：在液晶显示器驱动板输出的数字信号中，除了包括RGB数据信号外，还包括行同步、场同步、像素时钟等信号，其中像素时钟信号的最高频率可超过28MHz。采用TTL接口，数据传输速率不高，传输距离较短，且抗电磁干扰（EMI）能力也比较差，会对RGB数据造成一定的影响；另外，TTL多路数据信号采用排线的方式来传送，整个排线数量达几十路，不但连接不便，而且不适合超薄化的趋势。采用LVDS输出接口传输数据，可以使这些问题迎刃而解，实现数据的高速率、低噪声、远距离、高准确度的传输。
结语
本文对数据通信交换结构中的互连结构应用进行了讨论，随着设计的改进，系统功能将进一步完善，结构会更加通用模块化，从而实现不改变整个硬件系统平台，只对程序进行相应的修改，便可应用于其他领域的信号处理系统中。
参考文献：
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[2]冯洋.Open VPX高性能雷达实时信号处理系统的设计与实现.2015
[3]张波涛.片上高性能嵌入式计算—面向软基带的应用并行处理模型及体系结构.2011
论文作者:杨浩,雷娜,王亚东
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/27
标签：总线论文; 嵌入式论文; 中间层论文; 系统论文; 信号论文; 信号处理论文; 结构论文; 《基层建设》2016年9期论文;