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，但對諸如任務管理，網(wǎng)絡通信等功能的實現(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)絡協(xié)議，并且其任務調(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雜的鏈路協(xié)議，軟件設計困難；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)在應用程序與內(nèi)核之間的二次拷貝，提高了應用程序的網(wǎng)絡發(fā)包效率。
1 HPI接口硬件設計
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В瑳Q定數(shù)據(jù)寄存器(HPIDA、HPIDF)的讀或?qū)懖僮鳌AS，地址鎖存線，當主機的地址線與數(shù)據(jù)線復用時，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位設置，決定數(shù)據(jù)傳輸格式是按高半字在前(設置為0)，還是低半字在前(設置為1)，該位對于HPI32模式無效，可不設置；然后，對HPIA寄存器初始化，設置訪問單元的地址；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，應用程序可以直接使用open、read和IOctl等系統(tǒng)調(diào)用對設備進行訪問和控制。
本例中，把HPI作為一個外圍設備，其驅(qū)動主要實現(xiàn)對設備的打開、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)空間直接映射到應用程序的虛擬地址空間，應用程序直接訪問該空間，避免了用read／write系統(tǒng)調(diào)用導致的視頻數(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用程序的同一虛擬地址，這樣，應用程序不用頻繁調(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，當應用程序用read／write讀寫設備數(shù)據(jù)時，該設備的驅(qū)動先將設備數(shù)據(jù)從設備上采樣到內(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是，當ARM接收到新的一幀時，為其分配相應的緩存，并將在物理地址重映射到進程虛擬地址。當應用程序處理該幀時，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)動預留8 MB的高端物理內(nèi)存。在本例中，借助Linux中對普通外設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、復雜任務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。