基于DSP的HPI接口的視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

在視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程視頻播放等系統(tǒng)中，通常需要將視頻圖形數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程處理機(jī)上。作為數(shù)字信號(hào)處理專用處理器，DSP雖然在視頻壓縮等方面有很大的優(yōu)勢，但對諸如任務(wù)管理，網(wǎng)絡(luò)通信等功能的實(shí)現(xiàn)較困難。運(yùn)行于通用嵌入式處理器的Linux操作系統(tǒng)，開源，可以根據(jù)需要修改內(nèi)核，支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且其任務(wù)調(diào)度機(jī)制性能卓越。綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，嵌入式視頻平臺(tái)可以由DSP完成圖形處理功能，并通過高速接口把視頻數(shù)據(jù)傳輸給嵌入式微處理器，然后由嵌入式Linux系統(tǒng)完成網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

目前DSP與微處理器之間的高速通信方式有以下幾種：共享內(nèi)存，此種技術(shù)對軟硬件的設(shè)計(jì)要求都非常高，同樣效率也最高；通用高速總線接口，如PCI、 USB等，這種類型的通信方式采用復(fù)雜的鏈路協(xié)議，軟件設(shè)計(jì)困難；專用接口，如TI公司DSP提供的HPI(Host Port Inter-face)。本文研究了TMS320E)M642的HPI接口，并提出一種在TMS320DM642和AT91RM9200間高速通信的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。通過HPI接口，TMS320DM642可以高速地將實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸給AT91RM9200；在AT91RM9200上，Lnux驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器映射I／O和物理內(nèi)存重映射，避免了視頻數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序與內(nèi)核之間的二次拷貝，提高了應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)發(fā)包效率。

1 HPI接口硬件設(shè)計(jì)

HPI是一種并行接口，支持32位(HPl32)和16位(HPll6)數(shù)據(jù)總線，通過HPI的數(shù)據(jù)寄存器(HPIDA、HlPIDF)，ARM可以間接存取DSP的存儲(chǔ)空間。在DSP內(nèi)部，數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)單元到HPI數(shù)據(jù)寄存器的傳輸，是由EDMA(增強(qiáng)DMA)控制器完成的。

HPI控制器的外圍引腳包括HD[0-31]、數(shù)據(jù)總線。HCNTL[O-1]是寄存器訪問控制線，HPI控制器有4個(gè)寄存器，通過這兩根控制線，DSP 可以確定ARM要訪問的寄存器。其中，HPIA地址寄存器，存放當(dāng)前訪問單元的地址；HPIC為控制寄存器，實(shí)現(xiàn)各種控制命令；HPIDA自增長數(shù)據(jù)寄存器，每訪問一次該寄存器HPIA的內(nèi)容加4；HPIDF固定地址數(shù)據(jù)寄存器，與HPIDA不同之處在于，訪問該寄存器后HPIA的內(nèi)容不變。HHWIL，高低位訪問控制線，它只用于HPll6模式中，該控制引腳決定寄存器的高或低16位被主機(jī)訪問。HR／nW，HPI控制器4個(gè)寄存器的讀寫控制線。 HDSl、HDS2和HCS，其中HDSl、HDS2可連接ARM的讀、寫控制線，HCS連接ARM的nCS7片選線，三者在DSP內(nèi)部組合形成一個(gè) HSTROBE信號(hào)，當(dāng)HCS低有效并且HDSl或HDS2的讀或?qū)懙陀行В瑳Q定數(shù)據(jù)寄存器(HPIDA、HPIDF)的讀或?qū)懖僮?。HAS，地址鎖存線，當(dāng)主機(jī)的地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用時(shí)，主機(jī)可用該控制線通知。DSP鎖存地址；其他不用該控制線情況時(shí)，應(yīng)接高電平。nHRDY，DSP輸出線，表示HPI 總線是否可訪問。nHINT，中斷輸出線，用于中斷ARM。

DSP與ARM接口電路如圖1所示。采用HPI16模式，16根數(shù)據(jù)線通過16245數(shù)據(jù)隔離器接到ARM數(shù)據(jù)總線的低16位，將HPI的片選空間置于 ARM的nCS7片選線上，HR／nW讀寫信號(hào)經(jīng)反向器接到ARM的AB4地址線，HCNTL[O-1]與ARM的地址線AB[2-3]相連，則HPI的 4個(gè)寄存器的讀基地址為0x80000000，寫基地址為0x80000010。在ARM端從這兩個(gè)地址開始訪問，相應(yīng)地對HPI 4個(gè)寄存器訪問。

ARM通過HPI讀寫DSP數(shù)據(jù)空間，須按以下三步順序執(zhí)行：首先，對HPIC寄存器初始化，主要針對HPI16模式最低位HWOB位設(shè)置，決定數(shù)據(jù)傳輸格式是按高半字在前(設(shè)置為0)，還是低半字在前(設(shè)置為1)，該位對于HPI32模式無效，可不設(shè)置；然后，對HPIA寄存器初始化，設(shè)置訪問單元的地址；最后通過讀寫數(shù)據(jù)寄存器(HPIDA、HPIDF)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫操作，其中讀寫HPIDA寄存器是完成連續(xù)地址單元讀寫操作，讀寫HPIDF寄存器是完成固定地址單元讀寫操作。注意，在ARM讀寫的過程中，如果DSP的nHRDY控制線一直為高，表示HPI數(shù)據(jù)總線未準(zhǔn)備好，ARM的讀寫操作必須等待；當(dāng)nHRDY為低后，ARM才繼續(xù)向下執(zhí)行指令。

2 Linux驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

Linux雖然是一種整體式操作系統(tǒng)，但允許在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載或刪除功能模塊。這個(gè)特點(diǎn)方便了驅(qū)動(dòng)功能模塊的開發(fā)。Linux系統(tǒng)支持兩種模塊調(diào)用方式：一種是靜態(tài)編譯，直接編譯進(jìn)內(nèi)核，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就運(yùn)行；另外一種是動(dòng)態(tài)加載，在內(nèi)核運(yùn)行時(shí)，用insmod／rmmod實(shí)現(xiàn)模塊的加載和刪除功能。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，一般采用動(dòng)態(tài)加載方式，避免了系統(tǒng)頻繁重啟。當(dāng)最終發(fā)布產(chǎn)品時(shí)，可以把模塊直接編譯進(jìn)內(nèi)核。這種處理方式比較簡單，且效率高。

Linux系統(tǒng)中，內(nèi)存地址主要涉及以下幾個(gè)概念：物理地址、內(nèi)核虛擬地址(包括內(nèi)核邏輯地址)和進(jìn)程虛擬地址。在內(nèi)核層，當(dāng)內(nèi)核要訪問某內(nèi)存空間時(shí)，用的是內(nèi)核虛擬地址，再由MMU(存儲(chǔ)器管理單元)將內(nèi)核虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，每個(gè)進(jìn)程都有互不干涉的虛擬空間。三者直接映射的關(guān)系如圖2所示，其中內(nèi)核函數(shù)zap_page_range完成去掉物理地址與進(jìn)程虛擬地址映射關(guān)系的功能。

2．1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

在Linux中，設(shè)備也是作為文件來訪問的。VFS(虛擬文件系統(tǒng))為各種不同的文件系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的訪問接口，通過這些接口，應(yīng)用程序可以直接使用open、read和IOctl等系統(tǒng)調(diào)用對設(shè)備進(jìn)行訪問和控制。

本例中，把HPI作為一個(gè)外圍設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的打開、關(guān)閉、內(nèi)存映射、視頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理和物理內(nèi)存切換等功能。根據(jù)原理圖，可以確定HPI 四個(gè)寄存器對應(yīng)的物理地址，在驅(qū)動(dòng)初始化過程中，調(diào)用ioremap_uncache函數(shù)把物理地址映射為內(nèi)核虛擬地址，在驅(qū)動(dòng)層通過內(nèi)核虛擬地址訪問 HPI的4個(gè)寄存器。

存儲(chǔ)器映射I／O把HPI驅(qū)動(dòng)分配的數(shù)據(jù)空間直接映射到應(yīng)用程序的虛擬地址空間，應(yīng)用程序直接訪問該空間，避免了用read／write系統(tǒng)調(diào)用導(dǎo)致的視頻數(shù)據(jù)二次拷貝。在內(nèi)核里，由驅(qū)動(dòng)分配一定的緩存，當(dāng)應(yīng)用程序不能及時(shí)處理DSP發(fā)送過來的視頻數(shù)據(jù)，可以緩存這些數(shù)據(jù)；當(dāng)應(yīng)用程序處理完一幀圖像時(shí)，采用Linux的物理內(nèi)存切換技術(shù)，把下一幀數(shù)據(jù)所在的物理地址重映射到應(yīng)用程序的同一虛擬地址，這樣，應(yīng)用程序不用頻繁調(diào)用mmap函數(shù)映射內(nèi)存。

2．2 存儲(chǔ)器映射I／O

一般情況下，當(dāng)應(yīng)用程序用read／write讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)先將設(shè)備數(shù)據(jù)從設(shè)備上采樣到內(nèi)核緩沖區(qū)，再從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)經(jīng)過了兩次拷貝。當(dāng)數(shù)據(jù)量比較小時(shí)，如一些控制命令或狀態(tài)信息，對系統(tǒng)性能幾乎沒有影響。但是，如果一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，比如視頻顯卡上的實(shí)時(shí)視頻圖像，兩次拷貝將大大影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率。這時(shí)，可采用存儲(chǔ)器映射I／O技術(shù)，在內(nèi)核層存儲(chǔ)器映射I／O由函數(shù) remap_page_range完成。

由remap_page_range函數(shù)的原型可以知道，該函數(shù)的意義在于通過將特定物理地址映射到進(jìn)程虛擬地址，進(jìn)程可以訪問特定的物理地址，而這在普通情況下是不可能的。在本例中，當(dāng)進(jìn)程調(diào)用mmap函數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)映射時(shí)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)注冊的hpi_mmap函數(shù)，傳入的參數(shù)之一包括進(jìn)程虛擬地址。在 hpi_mmap函數(shù)里，調(diào)用remap_page_range完成從緩沖區(qū)物理地址到進(jìn)程虛擬地址的映射。hpi_mmap函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

其中vm_flags字段設(shè)置了VM_RESERVED，表示該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)一直常駐內(nèi)存，在內(nèi)存不足時(shí)，不會(huì)被交換出去。內(nèi)核和進(jìn)程同時(shí)對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀寫，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，對該區(qū)域的訪問不應(yīng)該經(jīng)過CPU內(nèi)部的緩沖區(qū)，所以用pgprot_noncached設(shè)置非緩沖標(biāo)志。

mmap系統(tǒng)調(diào)用返回一個(gè)進(jìn)程虛擬地址，該地址就是vma->vm_start字段，進(jìn)程對該虛擬地址的訪問，最終變?yōu)閷ξ锢淼刂稢ACHE_PHY的訪問。

2．3 數(shù)據(jù)緩沖管理

緩沖管理的主要任務(wù)是，當(dāng)ARM接收到新的一幀時(shí)，為其分配相應(yīng)的緩存，并將在物理地址重映射到進(jìn)程虛擬地址。當(dāng)應(yīng)用程序處理該幀時(shí)，緩沖管理負(fù)責(zé)內(nèi)存區(qū)域的回收。

當(dāng)Linux內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)，可以傳人參數(shù)mem=PHY_LEN，指定存儲(chǔ)空間的大小。在本例中，內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)為HPI驅(qū)動(dòng)預(yù)留8 MB的高端物理內(nèi)存。在本例中，借助Linux中對普通外設(shè)I／O內(nèi)存(PCI卡內(nèi)存等)管理的思想，用高度為2的樹表示一塊連續(xù)的區(qū)域。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，資源分配簡單，把離散的小內(nèi)存合并為一塊連續(xù)的大緩沖區(qū)的算法復(fù)雜度為O(1)。具體實(shí)現(xiàn)請參閱內(nèi)核源碼中resource結(jié)構(gòu)相關(guān)部分。

重映射新一幀視頻數(shù)據(jù)到進(jìn)程虛擬地址是緩沖管理的另一任務(wù)。因?yàn)榍耙粠瑪?shù)據(jù)物理地址已經(jīng)映射到進(jìn)程虛擬地址，需要先將前幀物理地址與進(jìn)程虛擬地址的映射關(guān)系去掉，然后重映射當(dāng)前幀數(shù)據(jù)到進(jìn)程虛擬地址。去掉物理地址與進(jìn)程虛擬地址的映射關(guān)系由內(nèi)核函數(shù)zap_page_range完成，調(diào)用該函數(shù)后，如果進(jìn)程再訪問該虛擬地址，內(nèi)核會(huì)產(chǎn)生缺頁中斷。這時(shí)再用remap_page_range建立當(dāng)前幀數(shù)據(jù)物理地址與進(jìn)程虛擬地址間的映射關(guān)系，進(jìn)程就可以通過同一虛擬地址訪問當(dāng)前幀的數(shù)據(jù)了。該方法的意義在于，進(jìn)程不用頻繁調(diào)用mmap建立物理地址與虛擬地址的映射，只用調(diào)用一次，當(dāng)有新數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)將新幀數(shù)據(jù)映射到先前的進(jìn)程虛擬地址，提高了進(jìn)程處理視頻數(shù)據(jù)的效率。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

結(jié) 語

在當(dāng)前視頻處理平臺(tái)上，視頻處理、視頻傳輸、復(fù)雜任務(wù)管理等工作一般都是由一塊DSP處理器單獨(dú)完成，結(jié)合其他嵌入式微處理器協(xié)同工作的技術(shù)方案剛剛起步。經(jīng)測試，在基于本文提出的高速通信方法設(shè)計(jì)的視頻處理平臺(tái)上，TMS320DM642與AT9lRM9200間的通信速率可以達(dá)到50 Mbps，帶寬足夠用來傳輸MPEG等壓縮視頻數(shù)據(jù)。如果用HPl32模式，速度還會(huì)大幅度提高。同時(shí)，因?yàn)長inux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不是很強(qiáng)，如果采用其他實(shí)時(shí)性強(qiáng)的操作系統(tǒng)，如Vxworks等，系統(tǒng)性能還會(huì)有大的提高。