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(duì)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(duì)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?，決定數(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(duì)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(duì)HPIC寄存器初始化,，主要針對(duì)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(duì)于HPI32模式無效，可不設(shè)置,；然后,，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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：
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(duì)該虛擬地址的訪問，最終變?yōu)閷?duì)物理地址CACHE_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(duì)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,。
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。