基于ARM和DSP架構(gòu)的多處理器高速通訊協(xié)議設(shè)計(jì)
　　
　　杭州海康威視數(shù)字技術(shù)有限公司蔣海青
　　
　　關(guān)鍵詞：RISCprocessor(精簡(jiǎn)指令集處理器)，DSP(數(shù)字信號(hào)處理器),ARM,Trimedia,RTOS(嵌入式操作系統(tǒng))，數(shù)字視頻，STB(機(jī)頂盒)，PCI,通訊
　　
　　目前，建立在寬帶網(wǎng)絡(luò)的多媒體應(yīng)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(yùn)算能力，針對(duì)不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的編碼軟件，加上合適的芯片價(jià)位，在視頻會(huì)議終端、視頻監(jiān)控服務(wù)器、IP數(shù)字機(jī)頂盒等產(chǎn)品中已被普遍采用。
　　
　　雖然DSP具備眾多的優(yōu)點(diǎn)，但卻不適合作系統(tǒng)控制，因?yàn)镈SP通常沒有強(qiáng)大的操作系統(tǒng)，沒有完備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和可靠的文件系統(tǒng)，DSP架構(gòu)在作控制指令時(shí)無法并行處理，分支判斷和高速緩存沒命中（cachemiss）都會(huì)使運(yùn)行效率極大降低。而這些正好是嵌入式RISC處理器的強(qiáng)項(xiàng)，比如ARM和MIPS系列，所以現(xiàn)在很多的半導(dǎo)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(jìn)行媒體處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生和消費(fèi)大量的音視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要在RISC和DSP兩個(gè)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(jī)制，并且已在實(shí)踐中得到商業(yè)化的應(yīng)用。
　　
　　本方案采用了SAMSUNG的S3C2510（ARM940T內(nèi)核）和PHILIPS的Trimedia1300（TM1300）數(shù)字信號(hào)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(gòu)如圖-1。
　　　　
　　基于上述的硬件架構(gòu)，在ARM和Trimedia1300處理器上分別采用了WindRiver的實(shí)時(shí)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(gè)處理器的中斷來實(shí)現(xiàn)，配合信號(hào)量的使用，可以達(dá)到高速、通訊的目的，其軟件架構(gòu)如圖-2。
　　　　
　　該通訊協(xié)議采用分層分布，兩個(gè)處理器基本處于對(duì)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(guān)的模塊比如中斷驅(qū)動(dòng)、信號(hào)量同步處理都分別提煉出來，單獨(dú)放在這些模塊文件中，減少軟件開發(fā)和維護(hù)的工作量。
　　
　　下面對(duì)圖-2中的軟件模塊進(jìn)行說明：
　　
　　1.硬件抽象層：該層主要完成對(duì)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(gè)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(duì)不同操作系統(tǒng)之間的抽象，提供vxWorks和pSos兩個(gè)操作系統(tǒng)的統(tǒng)一接口，主要是同步、信號(hào)量、關(guān)鍵代碼的互斥保護(hù)機(jī)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(jī)制，該層支持多個(gè)通道獨(dú)立通訊能力，每個(gè)通道都有*的句柄用于訪問，通道的打開、使用、關(guān)閉相互獨(dú)立。該層同時(shí)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：該層完成多通道的長(zhǎng)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(jī)制，DSP的控制指令可以采用這種方式進(jìn)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(shí)被兩個(gè)處理器訪問，配合同步事件機(jī)制，流式數(shù)據(jù)可以采用這種方式進(jìn)行高速、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(duì)方等待同步事件，用于控制同步處理共享資源。
　　
　　7.RPC（遠(yuǎn)程過程調(diào)用）層：在消息處理管理層和同步事件的基礎(chǔ)上，當(dāng)DSP處理器有時(shí)需要打印調(diào)試信息，或者讀取HOST的資源時(shí)，比如調(diào)用printf、fopen、fread等標(biāo)準(zhǔn)c輸入輸出函數(shù)，通過該層處理后，ARM會(huì)調(diào)用相關(guān)函數(shù)完成的任務(wù)，并將結(jié)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(gè)處理器共享的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)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(jī)維護(hù)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
　　　　
　　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(shí)任務(wù)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(chǔ)在共享緩沖區(qū)內(nèi)，zui后觸發(fā)對(duì)方中斷。
　　
　　對(duì)端處理器進(jìn)入中斷響應(yīng)，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(wù)的信號(hào)量，使讀通訊數(shù)據(jù)包的任務(wù)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(yīng)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(jiǎn)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zui低。
　　
　　處理器之間的同步事件功能可以有效地對(duì)共享資源進(jìn)行保護(hù)，防止多處理器同時(shí)對(duì)某一個(gè)共享資源訪問，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。RPC(遠(yuǎn)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(jiǎn)化的多處理器通訊模型，方法適用于大多數(shù)RISC+DSP的架構(gòu)，另外為了實(shí)現(xiàn)該通訊機(jī)制，還必須先完成三個(gè)前提，下面將簡(jiǎn)單對(duì)此進(jìn)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(gè)處理器因?yàn)楸旧矶紟в袛?shù)據(jù)高速緩存,會(huì)使數(shù)據(jù)的完整性無法保障，因此需要對(duì)兩個(gè)處理器進(jìn)行配置，對(duì)這段內(nèi)存的訪問關(guān)閉cache操作，具體操作過程不再贅述。
　　
　　2.在編譯Trimedia1300程序的時(shí)候，將指向共享內(nèi)存的指針設(shè)置為下載時(shí)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(shí)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(yùn)行后就可以立即對(duì)共享內(nèi)存初始化并進(jìn)行通訊。
　　
　　3.該通訊協(xié)議以vxWorks的BSP(板級(jí)支持包)的方式提供接口，并創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的vxWorks設(shè)備，便于安裝、使用。
　　
　　該通訊規(guī)范已經(jīng)在實(shí)用化的商業(yè)多媒體機(jī)頂盒中運(yùn)行，該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)流量較大，對(duì)時(shí)延要求很高，控制命令非常密集，從總體評(píng)價(jià)來看，采用該通訊協(xié)議后，無論是其效率、延時(shí)、處理器占用時(shí)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(duì)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(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。
　　
　　2004-7-8
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　
　　TornadoOnlineManualsbyWindriver
　　
　　TrimediaSDEDocumentsbyPhilipsSemiconductor
　　
　　pSOSManualsbyIntegratedSystems,Inc.
　　
　　S3c2510AUser’smanualsbySamsungElectronics
　　
　　PCILocalBusSpecificationbyPCISpecialInterestGroup