引 言
在視頻監(jiān)控,、遠程視頻播放等系統(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程處理機上,。作為數(shù)字信號處理專用處理器,，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)通信等功能的實現(xiàn)較困難,。運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)度機制性能卓越,。綜合二者的優(yōu)點,，嵌入式視頻平臺可以由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現(xiàn)方案,。通過HPI接口,，TMS320DM642可以高速地將實時視頻數(shù)據(jù)傳輸給AT91RM9200；在AT91RM9200上,，Lnux驅(qū)動實現(xiàn)存儲器映射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
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的存儲空間。在DSP內(nèi)部,，數(shù)據(jù)從存儲單元到HPI數(shù)據(jù)寄存器的傳輸,，是由EDMA(增強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,，存放當前訪問單元的地址；HPIC為控制寄存器,，實現(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位被主機訪問,。HR／nW,，HPI控制器4個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 HSTROBE信號,，當HCS低有效并且HDSl或HDS2的讀或?qū)懙陀行?，決定數(shù)據(jù)寄存器(HPIDA、HPIDF)的讀或?qū)懖僮?。HAS,，地址鎖存線，當主機的地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用時,，主機可用該控制線通知,。DSP鎖存地址；其他不用該控制線情況時,，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個寄存器的讀基地址為0x80000000，寫基地址為0x80000010,。在ARM端從這兩個地址開始訪問,，相應(yīng)地對HPI 4個寄存器訪問。
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)總線未準備好,，ARM的讀寫操作必須等待,；當nHRDY為低后，ARM才繼續(xù)向下執(zhí)行指令,。
2 Linux驅(qū)動設(shè)計
Linux雖然是一種整體式操作系統(tǒng),，但允許在運行時動態(tài)加載或刪除功能模塊。這個特點方便了驅(qū)動功能模塊的開發(fā),。Linux系統(tǒng)支持兩種模塊調(diào)用方式：一種是靜態(tài)編譯,，直接編譯進內(nèi)核，在系統(tǒng)啟動時就運行,；另外一種是動態(tài)加載,，在內(nèi)核運行時，用insmod／rmmod實現(xiàn)模塊的加載和刪除功能,。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中,，一般采用動態(tài)加載方式，避免了系統(tǒng)頻繁重啟,。當最終發(fā)布產(chǎn)品時,，可以把模塊直接編譯進內(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概念：物理地址、內(nèi)核虛擬地址(包括內(nèi)核邏輯地址)和進程虛擬地址,。在內(nèi)核層,，當內(nèi)核要訪問某內(nèi)存空間時，用的是內(nèi)核虛擬地址,，再由MMU(存儲器管理單元)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)，每個進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程虛擬地址映射關(guān)系的功能。
2．1 驅(qū)動結(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)備進行訪問和控制。
本例中,，把HPI作為一個外圍設(shè)備,，其驅(qū)動主要實現(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 四個寄存器對應(yīng)的物理地址,，在驅(qū)動初始化過程中，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)動層通過內(nèi)核虛擬地址訪問 HPI的4個寄存器,。
存儲器映射I／O把HPI驅(qū)動分配的數(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)動分配一定的緩存,，當應(yīng)用程序不能及時處理DSP發(fā)送過來的視頻數(shù)據(jù)，可以緩存這些數(shù)據(jù),；當應(yīng)用程序處理完一幀圖像時,，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 存儲器映射I／O
一般情況下，當應(yīng)用程序用read／write讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)時,，該設(shè)備的驅(qū)動先將設(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,。當數(shù)據(jù)量比較小時,，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時視頻圖像,，兩次拷貝將大大影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率,。這時，可采用存儲器映射I／O技術(shù),，在內(nèi)核層存儲器映射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程虛擬地址,，進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,，當進程調(diào)用mmap函數(shù)進行存儲映射時,，內(nèi)核會調(diào)用驅(qū)動注冊的hpi_mmap函數(shù)，傳入的參數(shù)之一包括進程虛擬地址,。在 hpi_mmap函數(shù)里,，調(diào)用remap_page_range完成從緩沖區(qū)物理地址到進程虛擬地址的映射。hpi_mmap函數(shù)實現(xiàn)如下：
mmap系統(tǒng)調(diào)用返回一個進程虛擬地址，該地址就是vma->vm_start字段,，進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ARM接收到新的一幀時,，為其分配相應(yīng)的緩存,，并將在物理地址重映射到進程虛擬地址。當應(yīng)用程序處理該幀時,，緩沖管理負責內(nèi)存區(qū)域的回收,。
當Linux內(nèi)核啟動時，可以傳人參數(shù)mem=PHY_LEN,，指定存儲空間的大小,。在本例中，內(nèi)核啟動時為HPI驅(qū)動預(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),。具體實現(xiàn)請參閱內(nèi)核源碼中resource結(jié)構(gòu)相關(guān)部分,。
在當前視頻處理平臺上,，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)計的視頻處理平臺上,，TMS320DM642與AT9lRM9200間的通信速率可以達到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,，速度還會大幅度提高,。同時，因為Linux系統(tǒng)的實時性不是很強,，如果采用其他實時性強的操作系統(tǒng),，如Vxworks等，系統(tǒng)性能還會有大的提高,。