隨著新市場及其對新技術需求的快速增加，一些技術的利用率越來越高。數位訊號處理(DSP)就是這樣一種技術，其形式可以是晶片，也可以作為系統單晶片(SoC)的IP核心。雖然DSP已經存在很長時間，但新一代DSP所支援的功能，對於滿足某些特定市場需求來說非常重要，比如物聯網(IoT)。有鑑於許多物聯網裝置的既有性質，通常都會使用即時作業系統(RTOS)。
DSP技術演進
DSP被用來轉換和處理現實世界中的類比訊號，這種處理操作是透過複雜的訊號處理演算法來完成。作為自80年代以來就出現的技術，DSP在硬體功能和軟體發展工具，以及基礎設施方面，已經有了很大的發展。早年的演算法是用組合語言程式設計到DSP上，隨著DSP市場的擴大，以及演算法變得越來越複雜，其架構也在不斷發展，並促進了高階語言編譯器的開發。
具有嵌入式DSP核心的晶片，一般都整合片上記憶體，其大小通常足以容納執行專用任務所需的整套程式。新一代DSP應用範圍涵蓋了音訊/語音處理、影像處理、電信訊號處理、感測器資料處理和系統控制等，而如今的物聯網市場，則幾乎覆蓋了之前眾多用例的各種組合。市調機構Markets and Markets預計，到2027年，全球物聯網技術市場規模將成長到5,664億美元。面對如此龐大的物聯網市場，新一代的DSP技術至關重要。
為什麼DSP非常適合物聯網裝置？
物聯網透過使用不同類型的感測器收集資料，實現現實世界中萬物間的通訊和連接。DSP對來自感測器的連續變化訊號進行分析和處理，如今，已出現感測器hub DSP (如CEVA-SensPro2)，就是用來處理和融合多個感測器資訊，並用於上下文感知的神經網路推理。DSP設計用於分析和處理音視訊、溫度、壓力或濕度等現實世界中的各類訊號，其任務涉及精確和準確的即時重複數值運算。隨著物聯網市場的成長，越來越多的感測器得到部署，收集到的所有資料都需要得到高效的即時處理。如今越來越清晰的跡象顯示，資料處理需要在物聯網裝置上直接進行，而不是將其發送到雲端進行處理。
現在正在發生的另一個事關物聯網設備的趨勢是，越來越多地使用基於人工智慧(AI)的演算法完成資料的本地語系化處理。人工智慧演算法基於神經網路模型，需要高水準的平行能力才能有效執行，平行運算能力是DSP優於通用中央處理器(CPU)的一個關鍵優勢。為了滿足這一要求，現代DSP架構傾向使用寬向量和單指令多資料(SIMD)功能。
簡而言之，基於DSP的強大解決方案，可以同時滿足現代物聯網裝置的高性能運算和低功耗需求。
為什麼DSP與RTOS很匹配？
正如DSP是一種專用處理器，RTOS也是一種專用作業系統。DSP致力於極其快速和可靠地處理現實世界的資料，而RTOS則致力於可靠地滿足回應/反應時間方面的特定時序要求。DSP與通用CPU相比更緊湊，RTOS與常規作業系統相比也是如此，這些特性完全符合物聯網裝置的需求，因而使得DSP和RTOS成為物聯網應用的理想之選。
從歷史上看，嵌入式裝置一般會利用一個專門用途、通常為8位元或16位元的微控制器(MCU)，可以在沒有RTOS的情況下工作。但如今的物聯網裝置更加複雜，需要一個32位元CPU與具備RTOS的DSP結合，來管理控制功能，並執行複雜的訊號處理。
但問題是，新一代DSP是否足以同時完成物聯網裝置的訊號處理和控制功能？答案是肯定的。一種能夠提供針對DSP的功能和控制器功能的混合DSP架構，正在迅速被物聯網和其他嵌入式裝置所採用。這種混合DSP支援超低指令字(VLIW)架構實現、單指令多資料(SIMD)操作、單精確度浮點運算、緊湊的程式碼規模、全RTOS、超快速上下文切換、動態分支預測等特點，從而裝置上不再需要額外的處理器來運作RTOS。
針對DSP的RTOS
基於DSP的RTOS旨在充分利用DSP的高性能特性。它是一個先佔式(preemptive)、基於優先順序的多工作業系統，可提供非常低的中斷延遲。這類RTOS附帶驅動程式、應用程式介面(API)，以及為DSP晶片客製的DSP功能運作晶片支援函式庫(CSL)。所有片上周邊都可以被控制，比如快取記憶體、直接記憶體存取(DMA)、計時器、中斷單元等。因此，物聯網應用程式開發人員能夠輕鬆地配置RTOS，從而高效處理資源請求和管理系統。
鎖定物聯網的RTOS：RT-Thread
RT-Thread是一款專為物聯網設備最佳化的開源RTOS，資源佔用率極低、可靠性高、可擴展性強。RT-Thread得到物聯網裝置所需豐富的中介軟體、硬體，以及軟體生態系統的廣泛支援。
RT-Thread支援GCC、Keil、IAR等所有主流編譯工具，支援POSIX、CMSIS、C++應用環境，以及Micropython、Javascript等多種標準介面。RT-Thread還為所有主流CPU和DSP架構提供強大的支援，透過RTOS消息傳遞執行緒間的通訊和同步、訊號旗語等業務可得到始終如一的高效處理。
目前，RT-Thread有兩個版本。一個是用於資源豐富的物聯網裝置的標準版，而另一個則為Nano版，用於資源受限的系統。
DSP與RT-Thread的完美結合
某些DSP架構設計，原生就支援RTOS功能和超快速上下文切換，因此使用CEVA DSP和RT-Thread RTOS實現的物聯網裝置，可以不中斷RTOS，同時處理不同資源之間的多種通訊任務。例如，多核心通訊介面(MCCI)機制支援核心之間的命令通訊和消息傳遞。核心之間的通訊是透過使用AXI從埠直接訪問專用命令寄存器來實現，DSP有專門的控制和指令，可以利用MCCI追蹤通訊的狀態。
圖1：多核通訊介面架構。
(來源：CEVA)
透過使用均為32位元的MCCI_NUM專用命令寄存器來執行核心之間的消息傳遞。32位元COM_REGx寄存器由外部核心透過AXI從埠寫入，核心只能讀取，對於128位元AXI匯流排，命令生成核心可以同時寫入的寄存器多達4個，而對於256位元AXI匯流排，該數目則增至8個。
當生成命令的核心將命令輸出到COM_REGx時，定址寄存器將會被更新，COM_STS寄存器中的相關狀態位元也會被更新。此外，中斷(MES_INT)將被確認以通知接收核心。
當接收核心讀取其中一個COM_REGx寄存器後，會向發起方發送一個讀取指示訊號。讀取指示訊號由接收核心使用專用的RD_IND (讀取指示) MCCI_NUM位匯流排介面發送，RD_IND匯流排的每一位元分別表示來自其中一個COM_REGx寄存器的讀取操作。利用IO介面，接收核心一次只能讀取一個COM_REGx寄存器，這樣不僅使不同核心間同步變得更簡單，而且使同一核心中不同任務間的同步也變得更為容易。
(參考原文：Why advanced DSPs running RTOSs are an ideal match for the IoT，Ori Leibovich)
本文同步刊登於EE Times China 8月號雜誌
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