摘 要： 在VOIP和ModemPool等許多新的應用發展的今天，多通道處理技術越來越受到重視，它不僅表現在算法研究上，而且也表現在系統實現上。結合在Smart Gateway方面的工作，提出了一個基于TMS320C6201的多通道信號處理平臺的結構，并詳細闡述了軟硬件的組成。
關鍵詞： 多通道信號處理 TMS320C6201 處理平臺
隨著因特網的發展，產生了Voice Over IP、Fax OverIP和Modem Pool等許多新的應用，它們都強調多通道的數據處理。傳統意義上的多通道處理是將多路的單通道處理并行安排。現在的DSP芯片的運算速度越來越快，以時鐘為100MHz的TMS320C549為例，如果用它完成G.729A的編解碼，一片可以支持5～6路。因此，假如我們采用高速DSP芯片來充當信號處理的核心的話，一片高速芯片可以替代以前的幾路，使得原有的多通道處理系統可以大大地簡化，在硬件上的開銷減小。
1 TMS320C6201的結構和性能
由美國TI公司生產的TMS320C6201處理器[1]硬件資源豐富，主要由三大部分組成：CPU、外圍設備和存儲器。
C6201的地址總線為32位，所以尋址范圍達到4GB，其存儲器空間可分為四部分：片內程序空間(可以用作Cache)、片內數據空間、外部存儲空間和內部外圍設備空間。可通過對五個BOOTMODE引腳的設置靈活設定各空間的地址范圍。片內數據RAM包括四個8K×16的塊，這些塊交織在一起，使得CPU可同時訪問數據RAM的兩個不同塊而不會發生沖突，提高了數據并行讀寫的能力。對于較大的程序，片內程序RAM可當做Cache來存儲經常使用的代碼，減少對片外訪問次數，從而提高程序運行速度。
與常見的芯片不同，C6201有八個功能單元，分為兩組，每組包括一個乘法器(Mn)和三個算術邏輯運算單元(Dn,Sn,Ln)。它們分別進行乘法運算、加減運算、線性和環形地址計算以及算術邏輯運算。因為輸入輸出端口相互獨立，所以8個運算單元可實現并行處理。每組運算單元對應一條數據路徑，可以用作環形地址計算。
TMS320C6201的外圍設備包括DMA控制器、主機接口(HPI)、中斷選擇等。DMA控制器允許數據傳輸在CPU操作的后臺進行，因此C6201可與外部的低速設備接口而不降低CPU的吞吐量。C6201的DMA控制器有四個獨立的可編程通道，可以進行四個不同的DMA操作，每個通道可根據需要傳輸8位、16位或32位的數據。此外，還有一個輔助通道用于響應HPI的服務請求。主機接口使得主機設備能夠直接地訪問CPU的存儲空間。TMS320C6201可通過引腳BOOTMODE[4:0]設置多種BOOT方式，例如直接執行方式，或從外部EPROM、主機等設備裝載程序。C6201允許14個中斷，包括Reset、不可屏蔽中斷、串行口中斷、定時器中斷和外部中斷。CPU通過監測IACK引腳判斷中斷請求，引腳INUM0～INUM3標識應該服務的中斷矢量位置。
TMS320C6xx的兩個多通道帶緩存的串行口，與TI公司生產的其他DSP C2x,C2xx,C5x,C54x相同，具有支持全雙工通信，雙緩存數據寄存器結構支持連續數據發送，收發時鐘獨立等特點。除此之外，它還有支持多種數據格式(8bit、12bit、16bit、20bit、24bit、32bit)的傳輸，A律和μ律壓擴，時鐘或幀同步的編程設置和極性控制，接口方便等優點。C62xx有兩個32位的定時器，主要用于時鐘中斷、DMA控制器同步、事件計數等，它可由外部或內部提供時鐘。
2 平臺的硬件構成
由于TMS320C6201具備很強的運算能力，因而我們可以以它作為運算核心建立一個基于PCI總線的多通道信號處理的平臺，其硬件結構如圖1所示。它包括輸入/輸出接口、并行的C6201芯片組、SDRAM、PCI總線控制和主機等五部分，每一片C6201可看作一個多通道處理子系統。輸入/輸出接口負責多路數據的A/D和D/A，并且有一定的復用和解復用能力；C6201用于信號處理和數據的接收/發送(至輸入/輸出接口)；SDRAM存放接收/輸出的數據和通道上下文相關數據；PCI總線控制主機與C6201芯片組的通信；主機負責獲取處理后的數據以及發送其本身采集的數據。
當處理程序目標代碼小時，可選用Boot方式將程序全部裝入片內；而當代碼太長時，可選用cache模式，將片內程序空間設為cache，程序放在片外的SDRAM或其它外設中。運行時程序根據CPU需要部分裝入。在使用cache工作方式時，CPU的工作效率約為90%。
輸入的數據先經解復用，然后分別發給C6201。C6201通過DMA通道自動接收數據，并且將數據存放在SDRAM中。在接收的同時DMA也將數據輸出到輸入/輸出接口。當一幀數據接收完畢，外部緩存DMA產生一個中斷信號，通知C6201、C6201在接收到中斷信號后，更新其設置，即切換輸入數據的目標地址和輸出數據的源地址。與此同時，C6201也啟動信號處理模塊，對接收的數據通道逐個地進行處理。當然，在處理前需將該通道上下文相關數據從片外SDRAM搬移進片內，處理完后再將其搬移出去。在處理當前通道時，DMA還將同時將下一通道的上下文相關數據搬移進來。如此循環，直至所有通道都處理完畢。
SDRAM存放接收和發送數據至少需要分配兩個段，一個段用于當前外部緩存DMA使用，一個段用于內部搬移DMA使用。
主機通過PCI總線對C6201芯片組的HPI進行訪問，其訪問方式設為DMA方式。之所以采用PCI總線是為了保證高速的數據傳輸。作為PCI總線和HPI橋梁的總線控制器可以有很多選擇，以S5933為例，由于S5933與串行EEPROM可無縫連接，所以其初始化可在上電時由EEPROM自動載入。它有五個基址寄存器，它們可分別服務于PCI控制器的寄存器、JTAG測試總線控制器、平臺的控制和狀態寄存器以及C6201的HPI。PCI總線上的數據可通過S5933的mailbox寄存器、FIFO或直通數據通道等多種方式靈活地與平臺實現數據的交換，為基于主機的調試提供了良好的硬件基礎。
通過對整個系統的工作原理的描述中可以看出，在信號處理算法的運算速度得到保證后，整個系統的瓶頸將是C6201的DMA資源。在硬件開銷允許的情況下，使用快速的外設會提高系統的性能。
3 平臺的軟件設計
根據上面介紹的硬件結構，可以根據不同的需要設計相應的系統軟件，以下僅介紹一種可靠性較高的軟件結構。
鑒于TMS320C6201的高速運算能力，所以在每塊芯片內部均采用線性結構，依照某種順序依次處理各通道的信號。芯片內部的數據RAM分割出兩塊空間當作處理信號緩存，即用作ping－pong緩存，一塊用作當前處理，一塊用于后臺數據搬移。處理后的數據可視占用RAM的大小，適當地安排在片內或片外，便于HPI訪問。
整個軟件采用中斷同步式控制，利用輸入信號所產生的中斷來觸發信號處理模塊的運行，中斷信號可以是一幀信號的結束(或開始)。其結構如圖2，系統在進行完初始化后，立即進入同步信號等待。當檢測到中斷信號后，表明一幀信號接收的結束，首先關閉中斷，隨后進行外部存儲的DMA通道設置的更新，切換輸入信號的緩存。然后，檢測控制內部數據搬進的DMA狀態，如果搬移完成，更新DMA設置，即切換處理信號的ping－pong緩存，通知存儲器接口控制單元開始搬移下一路信號的數據。如果當前處理的是最后一個通道，則內部數據搬進DMA設置為下一幀第一通道。接著進行信號處理模塊，在當前通道信號處理完成后，首先設置內部數據搬出DMA，將當前通道的上下文相關數據搬移到外部存儲器中保存，然后再檢測是否所有通道處理結束。若沒有，則跳回內部數據DMA狀態檢測；若結束，則進行系統狀態的更新。系統狀態更新完成后，打開中斷，進入中斷信號等待。
這樣的結構看來不夠靈活，而且僅用到了一個中斷資源，似乎是大材小用了，為什么不增加DSP對外界的響應且一直打開中斷呢？實際上這是有一定道理的。之所以將HPI的訪問方式設置為DMA方式，而只使用一個外部中斷。完全是為了讓DSP將主要時間花在信號處理上，且盡可能地減少DSP被頻繁的數據輸入輸出打斷。其原因有四點：第一，為加快信號處理算法的速度，盡可能地對循環進行流水線規劃，CPU運行至下次時，由于跳轉指令的頻繁出現，根本無法相應中斷；當循環次數較大時，無法保證中斷的及時響應。第二，如果將循環改為可中斷式的，勢必造成寄存器資源使用過大，代碼的效率也將大幅度下降。第三，匯編語言編寫的程序大多都在不同程度對CPU的流水線時序有要求，即寄存器對流水線時序敏感。若任意時間均要響應中斷的話，必將造成軟件產生不可預測的錯誤，出現混亂。第四，由于匯編語言編寫的程序代碼效率一般比優化后的C語言高50%，所以為提高運算速度，核心算法都用匯編語言編寫，一些寄存器的值都與C語言模塊中的不同[2]，如B14(DP)、A15(FP)；而高層調用和中斷服務程序一般都用C語言編寫，如果在任意時刻響應中斷，很容易造成C語言中斷服務程序的變量無法正確訪問，出現致命錯誤。綜上所述，中斷同步式結構穩健性更強。
多通道處理中還應注意一個問題，即全局指針的重定向[3]。因為高層調用用C編寫，以及通道數不確定等因素，一般情況下，很難保證同一通道的上下文相關數據每次均被放在同樣的內存位置上，因而上一幀時保存的全局指針變量的數值對當前幀不一定適用，所以對全局指針的重定向是必要的。
以上分析了C6201芯片組的工作方式，而主機與它們的通信是通過HPI對C6201存儲器訪問來完成的。在C6201片內RAM開出一段數據空間作為系統信息區，當C6201完成了一次多通道處理后，便在系統信息區中設置幀處理結束標志，并將處理后數據的存放地址和主機下載數據的存放地址寫入系統信息區的相應位置。主機通過對各個C6201系統信息區的訪問了解其工作狀況，當發現某一塊DSP一幀處理完成后，立即清除幀處理結束標志，并從系統信息區中給出的處理后數據的存放地址讀取數據到硬盤(或其他設備)進行存儲(或處理)，而且將待處理的數據搬移至主機下載數據的存放地址，以便C6201下一幀處理使用。當然，主機除了數據搬移和控制功能外，還可根據實際的運算能力和工作負荷，再增添一些功能。
4 展望
Radysis、Bluewave等公司基于C6000系列的多通道處理設備采用了與上述平臺相似的結構。以VOIP的網關為例，本地電話的語音信號先傳送到交換局，局內的復用設備(對應平臺的輸入/輸出接口)根據C6201的處理能力分配相應的話路。C6201對原始語音信號進行壓縮，壓縮后的數據通過主機讀取到網絡處理區，交給網絡處理設備進行打包處理，最后以IP方式傳送到目的端。另一方面，網絡處理設備拆包后的壓縮碼流通過主機傳送到C6201控制的局部存儲區中，經解壓后由DMA發送至復用設備，最終由交換局送至本地電話。
除了VOIP的智能網關和Modem Pool外，多通道處理的概念還可以延伸至雷達處理、多路數據采集、多路圖象監控[4]等更為廣泛的領域中。在多媒體和因特網技術日新月異的今天，基于相同類型信號的多通道處理可進一步拓展為基于不同類型信號的多通道處理，因而研究多通道信號處理平臺有著很大的實際意義，它將成為新一代智能化多媒體終端的雛形。
參考文獻
1 TMS320C62x/67x CPU and Instruction Set.Texas Instruments
2 TMS320C6x Optimizing C Compiler.Texas Instruments
3 DSP Target－Side Design of a Multichannel/ Algorithm System on the TMS320C6000.Texas Instruments
4 徐 盛,陳 健.TMS320C6201在圖像處理中的應用.電子技術應用,1999;25(1)