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雙核處理器ARM+DSP如何實現協同工作

針對當前應用的復雜性,SOC芯片更好能能滿足應用和媒體的需求,集成眾多接口,用ARM做為應用處理器進行多樣化的應用開發和用戶界面和接口,利用DSP進行算法加速,特別是媒體的編解碼算法加速,既能夠保持算法的靈活性,又能提供強大的處理能力。德州儀器(TI)繼第一系列Davinci芯片DM644x之後,又陸續推出了DM643x,DM35x/36x,DM6467,OMAP35x,OMAPLx等一系列ARM+DSP或ARM+視頻協處理器的多媒體處理器平台。眾多有很強DSP開發經驗的工程師,以及應用處理開發經驗的工程師都轉到使用達芬奇或OMAP平台上開發視頻監控、視頻會議及便攜式多媒體終端等產品。基於ARM+DSP的芯片架構,如何進行開發實現做期望的嵌入式應用呢?

傳統的芯片,基本是一個處理器內核,或者是通用處理器如ARM,或者是DSP。對於控制和用戶接口,一般用通用處理器實現,算法處理或者媒體處理則依賴於DSP或者硬件芯片,很多系統都是雙芯片的架構。開發模式也比較單純,比如ARM芯片,有ARM的的仿真工具,基於OS之上進行應用開發;DSP有DSP的開發工具,如TI的CCS以及510、560的仿真器,可以進行算法的移植、優化、跟蹤、調試等。這時,所需要的經驗也比較單一。

基於ARM+DSP的雙核架構,很多工程師不知道如何入手進行開發,提出了很多的疑問,比如對ARM工程師,很困惑的是如何使用DSP的資源?如何進行數據的交互?如何保持雙核之間的同步?對DSP工程師,則問到如何進行ARM調試?如何啟動DSP?如果進行媒體加速,如何操作外設獲取或發送數據等。基於不同的開發經驗和基礎,ARM工程師和DSP工程師會從完全不同的角度來看SOC的芯片,以至於拿到SOC的芯片根本不知道如何入手,這裡就本人的經驗與大家分享一下。

首先ARM+DSP的芯片,他是一個雙核的,對應ARM和DSP分別是不同的指令集和編譯器,可以把SOC的芯片看成是兩個單芯片的合成,需要兩套不同的開發工具,CCS3.3可以進行芯片級的調試和仿真,但是對應ARM和DSP需要選擇不同的平台。一般來說,ARM上面跑操作系統,比如Linux,Wince等,在ARM上的開發,除了bootloader以外,基本都是基於OS的開發,比如驅動,內核裁減,以及上層應用等,需要的調試和仿真主要靠log或者OS提供的調試器,如KGDB,Platform Builder等。基於DSP核的開發和傳統單核DSP一樣,需要用CCS+仿真器來進行開發調試。

其次,對於芯片的外設接口,ARM核和DSP核都可以訪問,典型的情況是ARM控制所有的外設,通過OS上的驅動去控制和管理,這部分和傳統的ARM芯片類似;DSP主要是進行算法加速,只是和memory打交道,為了保持芯片的資源管理的一致性,盡量避免由DSP去訪問外設。當然,根據具體的應用需求,DSP也是可以控制外設接口進行數據的收發,這時,需要做好系統的管理,避免雙核操作的沖突。

對memory的使用,非易失的存儲空間,比如NAND、NORFlash,基本也是由ARM訪問,DSP的算法代碼作為ARM端OS文件系統的一個文件存在,通過應用程序進行DSP程序的下載和DSP芯片的控制。外部RAM空間,即DDR存儲區,是ARM和DSP共享存在的,但是在系統設計的時候,需要把ARM和DSP使用的內存嚴格物理地址分開,以及預留出一部分用來交互的內存空間。一般情況,ARM是用低端地址,DSP通過CMD文件分配高端地址,中間預留部分空間用來做數據交互,比如在OMAP3的Linux下的DVSDK中,128MB的DDR空間被分成三部分,低端地址從0x8000000到0x85800000-1的88MB空間給Linux內核使用;從0x85800000到0x86800000-1的16MB給CMEM的驅動,用來做ARM和DSP的大塊數據交互,從0x86800000到0x88000000-1的24MB是DSP的代碼和數據空間。

芯片的啟動也是需要重點考慮的問題,一般情況下,是ARM啟動,和傳統的單核ARM一樣,支持不同的啟動方式,比如可以支持NAND,NOR,UART,SPI,USB,PCI等接口啟動。DSP默認處於復位狀態,只有通過ARM的應用下載代碼並且解除復位以後,DSP才能跑起來。有些應用場景,需要DSP直接從外部上電就自啟動,有些芯片也是支持這種模式的。

最後,關於芯片的通信和同步,這個是困擾很多工程師的問題,為了便於客戶的開發和使用,TI提供了DSPLINK,CODECENGINE的DVSDK開發套件,基於DVSDK可以很方便的進行ARM+DSP的應用開發,下面對DVSDK的軟件架構,各個軟件模塊的功能等做簡要介紹。

DVSDK是多個軟件模塊的集成,包括純DSP端的軟件模塊,ARM的軟件模塊和雙核交互的軟件模塊。DVSDK的軟件包都是基於實時軟件模塊(Real-Time-Software-Component:RTSC)的,還需要安裝RTSC的工具XDC,XDC是TI開源的一個工具,可以支持跨平台的開發,能夠最大程度的代碼重用;如果需要進行純ARM的開發,還需要ARM的編譯工具以及Linux內核或者Wince的BSP;如果需要進行DSP的算法開發或者DSP端開執行代碼生成,還需要安裝DSP的編譯器cgtools和DSP/BIOS;為了便於配置生成DSP端的可執行代碼,通過向導生成Codec的RTSC包和可執行代碼,還可以選裝ceutils和cg_xml。

DVSDK的核心是CodecEngine,所有的其他軟件模塊基本都是圍繞Codec Engine的。Codec Engine是連接ARM和DSP的橋梁,是介於應用層(ARM側的應用程序)和信號處理層(DSP側的算法)之間的軟件模塊,在編譯DSP端可執行代碼和ARM端應用程序時,都需要Codec Engine的支持。Codec Engine主要有兩部分:

 ARM端應用適配層,提供了精簡的API和對應的庫給應用層使用。

 DSP的算法調用層,提供了DSP算法的接口封裝規范,是的所有的算法通過簡單的配置就可以編譯到DSP的可執行程序中。

最終的應用程序需要通過Codec Engine的API接口來下載DSP代碼,調用DSP端的封裝好的算法,以及進行ARM和DSP的通信。

關於CodecEngine的介紹,可以參考《幫您快速入門Codec Engine》。

Codec Engine底層ARM和DSP的通信是建立在DSP/BIOSLink之上的,DSP/BIOSLink真正實現ARM和DSP交互的軟件模塊。由於DSP/BIOS Link是跨平台的,也是有ARM部分和DSP部分組成,其中在ARM端,包括基於OS的驅動和供應用調用的庫文件,DSP端,必須要用DSP/BIOS,DSP的可執行代碼需要包含DSP/BIOSLink的庫文件。DSP/BIOSLink常用的主要有如下幾部分的軟件模塊:

   PROC相關的,主要是用來做DSP芯片的控制,比如啟動,停止等,下載DSP的可執行代碼,以及直接讀寫DSP端的memory空間等

   MSGQ相關,ARM和DSP的通信是基於MSGQ的,MSGQ有輪詢等待的方式或者中斷的方式,MSG是基於共享內存池的方式。Codec Engine通過MSGQ交互一些關鍵數據,比如控制,和一些大塊數據的地址指針等。大量的數據交互需要通過cmem實現。

在ARM端,配合CodecEngine使用的軟件模塊有LinuxUtils或者WinceUtils,包含cmem,SDMA等,cmem是用來在OS之外分配連續物理內存空間,進行物理地址到虛地址,以及虛地址到物理地址空間轉化的。為了避免數據的多次復制,需要開辟一塊ARM和DSP共享的數據空間,ARM和DSP都可以直接訪問,這部分空間需要通過CMEM管理。對ARM來說,CMEM是OS上的一個驅動程序,需要通過IOCTL來實現內存分配或者地址空間轉化。由於DSP可以訪問任何物理地址空間,通過ARM傳給DSP的指針必須是物理地址。

為了適配一些播放器的接口,DVSDK還提供了DMAI(Digital Media Application Interface),DMAI提供了更為精簡的媒體接口和基於OS的音視頻捕捉、回放等接口,在Linux下的gstreamer和Wince下的dshow filter都是基於DMAI的。並且DMAI也提供了最基本的測試應用例子,可以很方便的進行修改和測試。

如果只是調用現成的或者第三方的算法庫,可以只了解ARM端的軟件模塊,Codec Engine或者DMAI已經提供了豐富的應用接口,DSP可以認為是個單純的媒體加速器,把ARM+DSP的芯片當作ASIC一樣使用。如果要充分發揮DSP的性能,就需要對DSP進行開發了。Codec Engine對DSP的算法只是規范了接口,以便於和Codec Engine一起生成DSP的可執行程序。

開發DSP算法的工程師,和傳統的單核的DSP開發模式類似,只需要操作DSP核,基於CCS進行算法開發,最後封裝成xDM的接口就可以了。具體如何進行DSP的打包,如何生成DSP的可執行程序,在後續的文章繼續討論。

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