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基于ARM和DSP架构的多处理器高速通讯协议设计

时间:2014-12-04 浏览次数:1384

  基于ARM和DSP架构的多处理器高速通讯协议设计
  
  杭州海康威视数字技术有限公司蒋海青
  
  关键词:RISCprocessor(精简指令集处理器),DSP(数字信号处理器),ARM,Trimedia,RTOS(嵌入式操作系统),数字视频,STB(机顶盒),PCI,通讯
  
  目前,建立在宽带网络的多媒体应用日渐增多,高性能的DSP也不断推陈出新,由于DSP具备非常灵活的编程运算能力,针对不同的编码标准,采用不同的编码软件,加上合适的芯片价位,在视频会议终端、视频监控服务器、IP数字机顶盒等产品中已被普遍采用。
  
  虽然DSP具备众多的优点,但却不适合作系统控制,因为DSP通常没有强大的操作系统,没有完备的网络协议栈和可靠的文件系统,DSP架构在作控制指令时无法并行处理,分支判断和高速缓存没命中(cachemiss)都会使运行效率极大降低。而这些正好是嵌入式RISC处理器的强项,比如ARM和MIPS系列,所以现在很多国际知名的半导体公司如PHILIPS和TI都推出了整合了RISC处理器和DSP的SOC芯片,如PNX8550、PNX8525、OMAP等。
  
  高性能的DSP在进行媒体处理时会产生和消费大量的音视频数据,这些数据需要在RISC和DSP两个处理器之间高速、稳定地交换数据,另外,RISC处理器也要经常给DSP发送指令,并且还要支持来自DSP的RPC调用。下面本文将要介绍一种基于多处理器之间的高速通讯机制,并且已在实践中得到商业化的应用。
  
  本方案采用了SAMSUNG的S3C2510(ARM940T内核)和PHILIPS的Trimedia1300(TM1300)数字信号处理器,ARM940T内置了PCI2.1规范的总线接口,Trimedia1300可以作为PCI的MASTER和SLAVE,基本架构如图-1。
  

图-1
  
  基于上述的硬件架构,在ARM和Trimedia1300处理器上分别采用了WindRiver的实时嵌入式操作系统(RTOS)vxWorks和pSos2.5,本通讯协议的基本思路为,在ARM的内存空间上开辟一块共享内存,并能使TRIMEDIA能够访问,数据通讯的握手协议通过两个处理器的中断来实现,配合信号量的使用,可以达到高速、通讯的目的,其软件架构如图-2。
  

图-2
  
  该通讯协议采用分层分布,两个处理器基本处于对称状态,因此,主要软件模块是公用的,有区别的是硬件抽象层和操作系统抽象层,与硬件和操作系统相关的模块比如中断驱动、信号量同步处理都分别提炼出来,单独放在这些模块文件中,减少软件开发和维护的工作量。
  
  下面对图-2中的软件模块进行说明:
  
  1.硬件抽象层:该层主要完成对不同处理器的硬件的抽象,比如地址映射、中断处理、PCI配置空间的访问,IO寄存器的访问等功能。将两个处理器之间的硬件差异隐藏起来,以便上一层统一管理接口。
  
  2.操作系统抽象层:该层主要完成对不同操作系统之间的抽象,提供vxWorks和pSos两个操作系统的统一接口,主要是同步、信号量、关键代码的互斥保护机制等功能。
  
  3.通道及同步事件管理层:为了建立多处理器之间的多通道通讯和同步机制,该层支持多个通道独立通讯能力,每个通道都有*的句柄用于访问,通道的打开、使用、关闭相互独立。该层同时也支持命名的同步事件,可用于处理器之间的同步等待功能。
  
  4.消息处理管理层:该层完成多通道的指定长度分组包通讯功能,支持小数据量的通讯数据,并支持同步机制,DSP的控制指令可以采用这种方式进行通讯。
  
  5.共享缓存:支持多通道命名共享缓存,其中的数据可以同时被两个处理器访问,配合同步事件机制,流式数据可以采用这种方式进行高速、通讯。
  
  6.同步事件:支持多通道可命名的处理器之间的同步事件功能,ARM或DSP可以让对方等待同步事件,用于控制同步处理共享资源。
  
  7.RPC(远程过程调用)层:在消息处理管理层和同步事件的基础上,当DSP处理器有时需要打印调试信息,或者读取HOST的资源时,比如调用printf、fopen、fread等标准c输入输出函数,通过该层处理后,ARM会调用相关函数完成指定的任务,并将结果返回给Trimedia1300。
  
  在这里我们还要专门的描述的是位于硬件抽象层里的共享内存,它只在HOST的一方存在,所有需要两个处理器共享的数据都存储在该区域里,包括高层的共享缓存、消息、同步事件、通道信息等数据,因此需要主机维护物理连续的、一定大小的内存,并且是处理器非cacheable的区域。
  
  下面本文将描述典型的控制指令传输方式,具体的过程见图-3
  

图-3
  
  过程说明:本端处理器作初始化,创建同步事件,打开消息通讯句柄,同步事件用于读取数据时任务阻塞,然后创建通讯数据包并且发送,发送例程将数据存储在共享缓冲区内,zui后触发对方中断。
  
  对端处理器进入中断响应,首先中断例程分析共享数据区的通讯数据状态,发现某通道有新的未处理数据后,将其拷贝至自己的私有内存空间,并清理自己的共享数据区状态,然后释放在等待中的通讯任务的信号量,使读通讯数据包的任务解除阻塞状态,从私有数据区读取通讯数据包并作相应处理。
  
  数据流通讯与数据包通讯类似,不过方法更简单,在创建共享缓存和同步事件后,一方写入数据后,出发同步事件,另一方等到同步事件解除后读取数据,效率很高而处理器开销节省至zui低。
  
  处理器之间的同步事件功能可以有效地对共享资源进行保护,防止多处理器同时对某一个共享资源访问,导致数据不完整。RPC(远程过程调用)功能能方便的用于系统调试和利用主处理器资源,能方便产品的调试和功能开发。
  
  以上是简化的多处理器通讯模型,方法适用于大多数RISC+DSP的架构,另外为了实现该通讯机制,还必须先完成三个前提,下面将简单对此进行描述。
  
  1.位于HOST的共享内存必须是物理连续、非缓冲(none-cacheable)的一段内存,否则,两个处理器因为本身都带有数据高速缓存,会使数据的完整性无法保障,因此需要对两个处理器进行配置,对这段内存的访问关闭cache操作,具体操作过程不再赘述。
  
  2.在编译Trimedia1300程序的时候,将指向共享内存的指针设置为下载时解析,并且要将Trimedia1300的下载程序移植到vxWorks操作系统,再下载解析该指针时将其指向ARM已分配给好的物理连续内存,Trimedia1300程序开始运行后就可以立即对共享内存初始化并进行通讯。
  
  3.该通讯协议以vxWorks的BSP(板级支持包)的方式提供接口,并创建标准的vxWorks设备,便于安装、使用。
  
  该通讯规范已经在实用化的商业多媒体机顶盒中运行,该产品的数据流量较大,对时延要求很高,控制命令非常密集,从总体评价来看,采用该通讯协议后,无论是其效率、延时、处理器占用时间、灵活性、稳定性、可拓展性均获得很好的表现,希望本文也能对正在开发类似产品的人员起一定的提示作用,能加快相关产品的研发。
  
  2004-7-8
  
  参考文献:
  
  TornadoOnlineManualsbyWindriver
  
  TrimediaSDEDocumentsbyPhilipsSemiconductor
  
  pSOSManualsbyIntegratedSystems,Inc.
  
  S3c2510AUser’smanualsbySamsungElectronics
  
  PCILocalBusSpecificationbyPCISpecialInterestGroup
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