基于S3C2510h和TM1300數(shù)字信號處理器實現(xiàn)高速通信協(xié)議的設計

目前，建立在寬帶網(wǎng)絡的多媒體應用日漸增多，高性能的DSP也不斷推陳出新，由于DSP具備非常靈活的編程運算能力，針對不同的編碼標準，采用不同的編碼軟件，加上合適的芯片價位，在視頻會議終端、視頻監(jiān)控服務器、IP數(shù)字機頂盒等產(chǎn)品中已被普遍采用。

雖然DSP具備眾多的優(yōu)點， 但卻不適合作系統(tǒng)控制，因為DSP通常沒有強大的操作系統(tǒng)，沒有完備的網(wǎng)絡協(xié)議棧和可靠的文件系統(tǒng)，DSP架構在作控制指令時無法并行處理，分支判斷和高速緩存沒命中（cache miss）都會使運行效率極大降低。而這些正好是嵌入式RISC處理器的強項，比如ARM和MIPS系列，所以現(xiàn)在很多國際知名的半導體公司如PHILIPS和TI都推出了整合了RISC處理器和DSP的SOC芯片，如PNX8550、PNX8525、OMAP等。

高性能的DSP在進行媒體處理時會產(chǎn)生和消費大量的音視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要在RISC 和DSP兩個處理器之間高速、穩(wěn)定地交換數(shù)據(jù)，另外，RISC處理器也要經(jīng)常給DSP發(fā)送指令，并且還要支持來自DSP的RPC調(diào)用。下面本文將要介紹一種基于多處理器之間的高速通訊機制，并且已在實踐中得到商業(yè)化的應用。

本方案采用了SAMSUNG的S3C2510（ARM940T內(nèi)核）和PHILIPS的Trimedia1300（TM1300） 數(shù)字信號處理器，ARM940T內(nèi)置了PCI2.1規(guī)范的總線接口，Trimedia1300可以作為PCI的MASTER和SLAVE，基本架構如圖-1。

圖-1

基于上述的硬件架構，在ARM和Trimedia1300處理器上分別采用了WindRiver的實時嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS）vxWorks和pSos2.5，本通訊協(xié)議的基本思路為，在ARM的內(nèi)存空間上開辟一塊共享內(nèi)存，并能使TRIMEDIA能夠訪問，數(shù)據(jù)通訊的握手協(xié)議通過兩個處理器的中斷來實現(xiàn)，配合信號量的使用，可以達到高速、高效通訊的目的，其軟件架構如圖-2。

圖-2

該通訊協(xié)議采用分層分布，兩個處理器基本處于對稱狀態(tài)，因此，主要軟件模塊是公用的，有區(qū)別的是硬件抽象層和操作系統(tǒng)抽象層，與硬件和操作系統(tǒng)相關的模塊比如中斷驅動、信號量同步處理都分別提煉出來，單獨放在這些模塊文件中，減少軟件開發(fā)和維護的工作量。

下面對圖-2中的軟件模塊進行說明：

1. 硬件抽象層：該層主要完成對不同處理器的硬件的抽象，比如地址映射、中斷處理、 PCI配置空間的訪問，IO寄存器的訪問等功能。將兩個處理器之間的硬件差異隱藏起來，以便上一層統(tǒng)一管理接口。

2. 操作系統(tǒng)抽象層：該層主要完成對不同操作系統(tǒng)之間的抽象，提供vxWorks和pSos兩個操作系統(tǒng)的統(tǒng)一接口，主要是同步、信號量、關鍵代碼的互斥保護機制等功能。

3. 通道及同步事件管理層：為了建立多處理器之間的多通道通訊和同步機制，該層支持多個通道獨立通訊能力，每個通道都有唯一的句柄用于訪問，通道的打開、使用、關閉相互獨立。該層同時也支持命名的同步事件，可用于處理器之間的同步等待功能。

4. 消息處理管理層：該層完成多通道的指定長度分組包通訊功能，支持小數(shù)據(jù)量的通訊數(shù)據(jù)，并支持同步機制，DSP的控制指令可以采用這種方式進行通訊。

5. 共享緩存：支持多通道命名共享緩存，其中的數(shù)據(jù)可以同時被兩個處理器訪問，配合同步事件機制，流式數(shù)據(jù)可以采用這種方式進行高速、高效通訊。

6. 同步事件：支持多通道可命名的處理器之間的同步事件功能，ARM或DSP可以讓對方等待同步事件，用于精確控制同步處理共享資源。

7. RPC（遠程過程調(diào)用）層：在消息處理管理層和同步事件的基礎上，當DSP處理器有時需要打印調(diào)試信息，或者讀取HOST的資源時，比如調(diào)用printf、fopen、fread等標準c輸入輸出函數(shù)，通過該層處理后，ARM會調(diào)用相關函數(shù)完成指定的任務，并將結果返回給Trimedia1300。

在這里我們還要專門的描述的是位于硬件抽象層里的共享內(nèi)存，它只在HOST的一方存在，所有需要兩個處理器共享的數(shù)據(jù)都存儲在該區(qū)域里，包括高層的共享緩存、消息、同步事件、通道信息等數(shù)據(jù)，因此需要主機維護物理連續(xù)的、一定大小的內(nèi)存，并且是處理器非cacheable的區(qū)域。

下面本文將描述典型的控制指令傳輸方式，具體的過程見圖-3

圖-3

過程說明：本端處理器作初始化，創(chuàng)建同步事件，打開消息通訊句柄， 同步事件用于讀取數(shù)據(jù)時任務阻塞，然后創(chuàng)建通訊數(shù)據(jù)包并且發(fā)送，發(fā)送例程將數(shù)據(jù)存儲在共享緩沖區(qū)內(nèi)，最后觸發(fā)對方中斷。

對端處理器進入中斷響應，首先中斷例程分析共享數(shù)據(jù)區(qū)的通訊數(shù)據(jù)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)某通道有新的未處理數(shù)據(jù)后，將其拷貝至自己的私有內(nèi)存空間，并清理自己的共享數(shù)據(jù)區(qū)狀態(tài)，然后釋放在等待中的通訊任務的信號量，使讀通訊數(shù)據(jù)包的任務解除阻塞狀態(tài)，從私有數(shù)據(jù)區(qū)讀取通訊數(shù)據(jù)包并作相應處理。

數(shù)據(jù)流通訊與數(shù)據(jù)包通訊類似，不過方法更簡單，在創(chuàng)建共享緩存和同步事件后，一方寫入數(shù)據(jù)后，出發(fā)同步事件，另一方等到同步事件解除后讀取數(shù)據(jù)，效率很高而處理器開銷節(jié)省至最低。

處理器之間的同步事件功能可以有效地對共享資源進行保護，防止多處理器同時對某一個共享資源訪問，導致數(shù)據(jù)不完整。RPC（遠程過程調(diào)用）功能能方便的用于系統(tǒng)調(diào)試和利用主處理器資源，能方便產(chǎn)品的調(diào)試和功能開發(fā)。

以上是簡化的多處理器通訊模型，方法適用于大多數(shù)RISC+DSP的架構，另外為了實現(xiàn)該通訊機制，還必須先完成三個前提，下面將簡單對此進行描述。

1. 位于HOST的共享內(nèi)存必須是物理連續(xù)、非緩沖（none-cacheable）的一段內(nèi)存，否則，兩個處理器因為本身都帶有數(shù)據(jù)高速緩存，會使數(shù)據(jù)的完整性無法保障，因此需要對兩個處理器進行配置，對這段內(nèi)存的訪問關閉cache操作，具體操作過程不再贅述。

2. 在編譯Trimedia1300程序的時候，將指向共享內(nèi)存的指針設置為下載時解析，并且要將Trimedia1300的下載程序移植到vxWorks操作系統(tǒng)，再下載解析該指針時將其指向ARM已分配給好的物理連續(xù)內(nèi)存，Trimedia1300程序開始運行后就可以立即對共享內(nèi)存初始化并進行通訊。

3. 該通訊協(xié)議以vxWorks的BSP（板級支持包）的方式提供接口，并創(chuàng)建標準的vxWorks設備，便于安裝、使用。

該通訊規(guī)范已經(jīng)在實用化的商業(yè)多媒體機頂盒中運行，該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)流量較大，對時延要求很高，控制命令非常密集，從總體評價來看，采用該通訊協(xié)議后，無論是其效率、延時、處理器占用時間、靈活性、穩(wěn)定性、可拓展性均獲得很好的表現(xiàn)，希望本文也能對正在開發(fā)類似產(chǎn)品的人員起一定的提示作用，能加快相關產(chǎn)品的研發(fā)。

責任編輯：gt