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基于ARM和DSP架构的多处理器高速通信协议设计

21ic?? 2011年10月26日 ?? 收藏0

  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(cache miss)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。

基本架构

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、高效通讯的目的,其软件架构如图-2。

软件架构

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,每个通道都有唯一的句柄用于访问,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、高效通讯。

  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,用于精确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

具体的过程

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,最后触发对方中断。

  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。


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ARM? DSP? 多处理器? 通信协议?

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