多核軟件開發(fā)套件 - 全文

　　介紹

　　多核數(shù)字信號處理器 (DSP) 現(xiàn)已開始在不同的細分市場逐漸推廣， 包括測量測試、關(guān)鍵任務、工業(yè)自動化、醫(yī)療與高端影像設備，以及高性能計算等。隨著這些應用的處理需求不斷增長，德州儀器 (TI) 通過了新一代可擴展高性能 TMS320C66x 多核 DSP。C66x 器件建立在 TI KeyStone 架構(gòu)基礎(chǔ)之上，可為多核器件中的每個內(nèi)核提供全面的處理功能，是實現(xiàn)真正多核創(chuàng)新的平臺。TI C66x 高性能 DSP 包括采用單、雙、四以及八內(nèi)核配置提供的引腳兼容及可擴展器件。

　　德州儀器 (TI) 對多核 DSP 編程模型思路非常全面，已經(jīng)開發(fā)出一系列能夠在 TI 多核 DSP 平臺上實現(xiàn)快速開發(fā)的可擴展工具與軟件。本文主要介紹 TI 多核軟件開發(fā)套件 (MCSDK)，具體內(nèi)容涵蓋對各種可用軟件套件以及實用程序及工具鏈的概述，可為編程人員開發(fā) Linux 等高級操作系統(tǒng)以及實時操作系統(tǒng)SYS/BIOS 助一臂之力。

　　MCSDK 的優(yōu)勢

　　TI MCSDK 旨在提供一個軟件開發(fā)環(huán)境，通過 TI 高性能多核 DSP 平臺實現(xiàn)快速開發(fā)，加速產(chǎn)品上市進程。MCSDK 實現(xiàn)這一目標的方法包括：

　　· 為客戶提供經(jīng)測試的良好集成型通用軟件層，客戶無須從頭開發(fā)通用層。例如，TI MCSDK 為配置和控制各種片上外設及加速器集成并測試了各種驅(qū)動器?？蛻艨墒褂抿?qū)動器接口加強片上輸入輸出 (I/O) 機制以及加速功能。由于該軟件是專為器件優(yōu)化的，因此使用 MCSDK 的客戶可從理想的性能優(yōu)勢中獲益;

　　· 集成 SYS/BIOS 實時操作系統(tǒng)及 Linux 高級操作系統(tǒng)支持;

　　· 為簡化編程以及在 TI 可擴展多核 DSP 平臺上實現(xiàn)未來可移植性提供定義完善的應用編程接口。例如，用于內(nèi)部核心通信的 API 可在不進行任何代碼修改的情況下，擴展支持 TI 多核 DSP 的雙、四或八內(nèi)核版本。此外，相同 API 還可用于使用 Serial RapidIO? 等行業(yè)標準 IO 實現(xiàn)器件間的通信;

　　· 建立示例文檔，可幫助編程人員開發(fā)其應用。這些示例將為在多核上運行 RTOS 和在多核上同時運行 RTOS 與 HLOS 提供有力幫助。此外，這些示例還將展示各種應用情況，不但可幫助客戶開發(fā)新應用，而且還可提供一個從單內(nèi)核系統(tǒng)到多核系統(tǒng)或從多核系統(tǒng)到單內(nèi)核系統(tǒng)移植的路徑;

　　· 與 Code Composer StudioTM 等 TI 工具以及 TI 第三方工具生態(tài)系統(tǒng)集成。

　　下圖(圖 1)是上述 MCSDK 及各種組件的概覽圖。

　　▲圖 1. TI MCSDK 組件

　　TI MCSDK 實際上由兩個軟件生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成。第一個生態(tài)系統(tǒng)基于 Linux，第二個基于 SYS/BIOS。兩個都包含可幫助客戶便捷啟動開發(fā)的所有功能性軟件。每個生態(tài)系統(tǒng)都包含用于多核器件編程的各種機制(比如處理器間通信)，在相同器件的不同內(nèi)核上既可獨立使用，也可組合使用。以下章節(jié)將總體介紹每個 MCSDK 組件。

　　Linux MCSDK

　　Linux 多核軟件開發(fā)套件 (MCSDK) 為支持運行在 TI C66x 系列高性能多核 DSP 上 的 Linux 生態(tài)系統(tǒng)奠定了堅實基礎(chǔ)。該套件包含可隨時投入使用的 Linux 內(nèi)核、驅(qū)動器、樣片應用以及經(jīng)驗證的工具，可充分滿足客戶的產(chǎn)品開發(fā)需求。Linux MCSDK 以開源發(fā)行版形式在 www.linux-c6x.org 上提供，包含預構(gòu)建二進制程序，可隨時通過在參考平臺上運行來演示 TI 高性能多核 DSP 的功能。

　　總體而言，支持 C66x 多核 DSP 的 Linux 是 C66x 多核客戶、獨立開發(fā)者以及廠商協(xié)作社區(qū)推動的結(jié)果，可幫助參與和強化總體開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。目前已有多個參與方參與內(nèi)核與工具鏈的開發(fā)和上游對接。具體包括 GCC 工具鏈的 CodeSourcery(現(xiàn)在是 Mentor EmbeddedTM 的一部分)以及內(nèi)核社區(qū)知名的 Linux 開發(fā)商等。

　　生態(tài)系統(tǒng)組件

　　對 Linux 生態(tài)系統(tǒng)的支持預計將是各種更豐富高性能應用的關(guān)鍵使能技術(shù)，可幫助客戶輕松推出基于 TI C66x 多核 DSP 的平臺?？偟膩碚f，該基礎(chǔ)架構(gòu)可通過增添市場導向型應用來幫助客戶降低開發(fā)成本，集中精力提升價值定位。

　　Linux MCSDK 采用 uClinux 類內(nèi)核，因其較小的占位面積非常適合多核 DSP 的開發(fā)。另外，Linux MCSDK 還包含支持訪問 DSP 內(nèi)部所有外設的器件驅(qū)動器，這些外設將隨實際 DSP 的不同而不同。圖 2 是支持 KeyStone 器件的外設與驅(qū)動器。

　　▲圖 2. Linux MCSDK 的軟件生態(tài)系統(tǒng)組件

　　進程間通信

　　多核架構(gòu)的主要編程要求之一就是能夠在各種內(nèi)核之間進行高效通信。TI Linux MCSDK 支持在運行 SYS/BIOS 的核心之間，以及其它 Linux 內(nèi)核之間的通信，從而可為滿足各種潛在產(chǎn)品需求提供高度的靈活性。

　　內(nèi)核間的 IPC

　　TI Linux MCSDK 通過 SYS/Link 模塊提供進程間通信 (IPC) 驅(qū)動器，以在運行 Linux 高級操作系統(tǒng) (HLOS) 的兩個內(nèi)核以及運行 SYS/BIOS 實時操作系統(tǒng) (RTOS) 的多個內(nèi)核之間實現(xiàn)通信。在預期的使用情況下，應在信號處理應用在 BIOS 內(nèi)核上執(zhí)行的同時控制運行在 Linux 內(nèi)核上的代碼。該軟件架構(gòu)將幫助運行 Linux 的主機內(nèi)核把信號處理分配給多個內(nèi)核的同時，順暢地繼續(xù)執(zhí)行其它任務。SYS/Link IPC 模塊可為在多個內(nèi)核中發(fā)送和接收不同字長消息提供 MessageQ 支持。

　　如圖 3 所示，Linux MCSDK 還能使用一種支持 IO 虛擬的標準化 Linux 框架 virtIO 在單一 DSP 內(nèi)實現(xiàn)在多個內(nèi)核中運行的多個 Linux 實例。

　　▲圖 3. 多個 Linux 實例情況下的 IPC 使用

　　軟件 開發(fā)工具

　　Linux MCSDK 可為用戶提供各種編譯器工具及調(diào)試選項。在編譯器方面， 開源社區(qū)普遍使用的 GCC 與二進制工具可通過 Mentor Embedded 提供給 C66x 多核 DSP。在信號處理代碼等應用實例中，開發(fā)人員能夠使用 TI 提供的編譯器獲得更高性能。另外，GCC 和 TI 編譯器還具有互操作性， 因此開發(fā)人員可選擇使用 TI 編譯器或 GCC 滿足不同部分的應用代碼需求，而系統(tǒng)的其余部分則仍然使用 GCC 構(gòu)建。這樣用戶就可高度靈活地進行與代碼性能有關(guān)的利弊權(quán)衡。

　　在調(diào)試方面，用戶模式下的應用可使用 Mentor Embedded 提供的 GDB。對內(nèi)核調(diào)試或者無操作系統(tǒng)的程序運行，使用 Mentor Embedded 提供的 Debug Sprite 和 TI 基于 CCS 的調(diào)試器，就可實現(xiàn)基于 JTAG 的調(diào)試。

　　TI C66x EVM 上的創(chuàng)造性演示體驗

　　Linux MCSDK 的最后一個組件是創(chuàng)造性 (OOB) 演示軟件與示例應用。OOB 演示應用包含 Web 界面，可為用戶提供通過以太網(wǎng)連接 PC 訪問 EVM 的控制面板，以便在啟動后提供各種功能。在初期版本中，控制面板可提供一種簡便的方法為用戶更新引導加載程序及內(nèi)核。后續(xù)版本將支持可展示和演示多核相關(guān)功能的其它基本功能，比如運行 BIOS 和/或 Linux 的內(nèi)核間 IPC 通信以及下載和引導多核應用等。

　　BIOS MCSDK

　　BIOS 多核軟件開發(fā)套件 (MCSDK) 以集成方式提供內(nèi)核基本構(gòu)建塊，可為在 TI 高性能多核 DSP 上使用 SYS/BIOS 實時操作系統(tǒng)進行應用軟件開發(fā)提供便利。BIOS MCSDK 在統(tǒng)一可下載套件中綁定全部主要嵌入式軟件，并在 TI 網(wǎng)站上免費提供。BIOS MCSDK 配套提供的軟件均為預構(gòu)建庫源代碼，并按 BSD 許可證進行分銷。除了基礎(chǔ)軟件元素外，BIOS MCSDK 還提供使用這些組件的演示應用，可展示客戶使用 BIOS MCSDK 創(chuàng)建應用的方法。

　　BIOS MCSDK 采用這種結(jié)構(gòu)進行設計的驅(qū)動因素之一，是為了簡化各平臺間的設計流程以及對客戶在各個 TI 器件之間進行移植的考慮。TI 了解客戶可能有采用通用軟件支持不同器件的多種產(chǎn)品，因此移植策略應重點考慮利用客戶在現(xiàn)有以及未來 TI 器件上的軟件投資。例如，該流程可從在 TI 評估平臺上運行內(nèi)含 TI 演示軟件開始，然后將該演示移植至客戶平臺，最后在客戶平臺上導出客戶應用。另外一個步驟就是將該應用移植到新一代 TI 架構(gòu)上(圖 4)。

　　▲圖 4. 將應用移植到 TI 新一代應用 SoC 平臺上

　　BIOS MCSDK 使用 TI Code Composer StudioTM(CCS) 作為集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)。在軟件更新方面，BIOS MCSDK 使用 Eclipse 的更新特性通過 CCS 自動發(fā)現(xiàn)并安裝新軟件。

　　軟件概覽

　　BIOS MCSDK 中的軟件組件(圖 5)可分為下列類型：

　　?器件專用軟件驅(qū)動器

　　內(nèi)核目標軟件

　　平臺專用軟件

　　演示與工具

　　▲圖 5. BIOS MCSDK 的軟件組件

　　器件專用軟件驅(qū)動器：該軟件套件包含芯片支持庫、低級驅(qū)動器、平臺庫以及傳輸協(xié)議。該套件中的軟件重在簡化對諸如加速器等器件硬件的訪問，并可作為應用開發(fā)的最低層 API。

　　平臺專用軟件：本軟件提供與 TI 參考平臺配套使用的平臺專用功能的實施示例，其目的是用作客戶平臺開發(fā)活動示例。

　　平臺庫可使用通用 API 對平臺進行抽象，簡化各器件間的移植。它提供軟件實用程序來控制硬件部件(比如 EEPROM、FLASH、UART)并完成平臺/器件初始化。

　　平臺庫 API 由跨不同平臺的通用工具使用。這些工具包括 EEPROM 寫入器、NAND/NOR 寫入器以及上電自檢等。因此，要為新器件或新平臺添加這些工具，應隔離工作，以便添加專門用于該硬件的平臺庫。與其它組件一樣，該平臺庫具有單元測試應用，可在將模塊移植到新平臺時使用。

　　內(nèi)核目標內(nèi)容：該軟件集提供更高級功能，包括實時嵌入式操作系統(tǒng)、跨內(nèi)核以及跨器件通信的處理器間通信、基本網(wǎng)絡協(xié)議棧及協(xié)議、經(jīng)優(yōu)化的專用算法庫以及儀表工具等。

　　一項重要多核使能技術(shù)包含處理器間的通信，其不但可跨越使用共享存儲器的內(nèi)核及器件實現(xiàn)高效通信(內(nèi)核間通信)，而且還可跨越 SRIO 與 PCIe 等外設實現(xiàn)器件間的通信。處理器間的通信機制和 API 支持精細線程多核編程模型。此外，通用 IPC 接口還可簡化跨內(nèi)核和/或器件的應用處理節(jié)點工作， 滿足多核應用設計與優(yōu)化的需求。

　　第二項重要使能技術(shù)是儀表工具，其對用戶掌控應用執(zhí)行狀況具有至關(guān)重要的意義，可分析并優(yōu)化性能。BIOS MCSDK 包含系統(tǒng)分析器工具，其可定義一系列 API，而 API 則能夠以可移植方法將儀器代碼插入軟件，以便在各種 TI 平臺中重復使用。某項應用的圖形化輸出示例如下(圖 6)

　　▲圖 6. BIOS MCSDK 的系統(tǒng)分析器工具

　　演示與工具：該軟件集覆蓋多種器件，提供構(gòu)建于上述軟件的示例、演示以及工具。BIOS MCSDK 包含演示應用，旨在作為示例展示如何使用基礎(chǔ)軟件構(gòu)建多核應用。當前版本中可供下載的演示包括用于展示 BIOS MCSDK 部分重要組件的創(chuàng)造性應用，以及用于顯示多核信號處理的影像處理應用。

　　各種工具包括通用引導加載程序、FLASH 及 EEPROM 寫入器、評估板上電自檢、多核/多影像引導工具，以及從不同模式(比如 NAND/NOR、EMAC、SRIO)引導的簡明示例等。

　　演示

　　創(chuàng)造性演示

　　BIOS MCSDK 的創(chuàng)造性演示是一種以 CCS 項目方式提供的高性能 DSP 實用程序應用 (HUA)。該演示可通過演示代碼及 Web 頁面向用戶演示如何將自己的 DSP 應用連接至各種不同的 BIOS MCSDK 軟件元素，其中包括 SYS/BIOS、網(wǎng)絡開發(fā)套件 (NDK)、芯片支持庫 (CSL) 以及平臺庫。

　　在執(zhí)行時，HUA 可使用 Web 服務器讓用戶使用 PC 通過以太網(wǎng)連接至平臺。用戶使用 HUA 可執(zhí)行各種功能，比如讀/寫閃存、診斷或者提供統(tǒng)計及信息。該演示可通過演示代碼及 Web 頁面向用戶演示如何將自己的 DSP 應用連接至各種不同的 BIOS MCSDK 軟件元素，其中包括 SYS/BIOS、網(wǎng)絡開發(fā)套件 (NDK)、芯片支持庫 (CSL) 以及平臺庫(圖 7)。

　　▲圖 7. 高性能 DSP 實用程序應用 (HUA)

　　影像處理演示(圖 8)則展示了如何在 BIOS MCSDK 多核信號處理過程中集成主要組件。其采用了處理器間通信功能、經(jīng)優(yōu)化的影像庫、網(wǎng)絡開發(fā)套件以及系統(tǒng)分析器。后者用于采集和分析基準信息。

　　▲圖 8. BIOS MCSDK 的影像處理應用軟件框架

　　本演示經(jīng)配置可運行于器件所支持的任意數(shù)量的內(nèi)核上?？蓪⒈狙菔緞澐譃榈谝粋€內(nèi)核上的單個主系統(tǒng)任務和分配給所有內(nèi)核的多個從系統(tǒng)任務。主系統(tǒng)任務負責對輸入數(shù)據(jù)進行分組，并將工作分配給從系統(tǒng)任務，然后自從系統(tǒng)任務采集結(jié)果，并發(fā)送輸出數(shù)據(jù)。當前支持的算法有邊緣檢測，但經(jīng)擴展后可支持更多種算法。

　　總結(jié)

　　TI MCSDK 可為客戶提供一種適用于 Linux 和 SYS/BIOS 的高穩(wěn)健集成型軟件開發(fā)環(huán)境，其目標是使用基于 KeyStone 架構(gòu)的高性能 DSP 實現(xiàn)快速開發(fā)， 進而加速上市進程。