SHARC陣列板的VMEBus通信分析與應(yīng)用
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關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) SHARC 實時性 VxWorks
目前，許多信號處理系統(tǒng)DSP都采用Analog Device公司的SHARC系列產(chǎn)品。隨著DSP計算能力與應(yīng)用范圍的不斷增強和擴大，越來越要求DSP具有實時控制能力以及具備多種通信接口。特別隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)控制的DSP應(yīng)用已成為主流；而嵌入式單板機（Signal Board Computer）顯然在實時控制與多通信接口及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面具有及大的優(yōu)勢。因此，通常在DSP處理機前端利用單板機設(shè)置通信控制器，加強對DSP系統(tǒng)的實時控制與外圍通信接口擴展。DSP系統(tǒng)與其前端通信控制器之間是否具有良好的實時通信，決定了其整體性能的優(yōu)良程度。本文利用Motorola公司的MVME2700單板機作為DSP信號處理機的前端通信控制器，實現(xiàn)了對DSP系統(tǒng)的實時通信控制。
1 DSP及其前端控制
在需要高強度信號處理能力的領(lǐng)域，一般可采用多塊具有拓撲結(jié)構(gòu)的SHARC處理器VMEBus陣列板作為信號處理機。各陣列板通過連接線連接，具有很強的信號處理 能力。SHARC陣列板雖具有強大的計算功能，但是卻不適合加載實時操作系統(tǒng)，因此其自身管理功能并不強大，并且通信接口擴展性較差，不利于功能擴展和網(wǎng)絡(luò)控制。為了對其實施合理的工作時序控制并增強外圍通信功能，在其前端配置一塊單板機，利用VxWorks作為操作系統(tǒng)，并安裝控制程序?qū)HARC陣列板實施控制。由于單板機具有良好的通信接口擴展性，該單板機作為信號處理系統(tǒng)的前端機可以外接網(wǎng)絡(luò)接口、視頻接口、I/O接口等等，使得信號處理機可作為一個完整的分系統(tǒng)接入控制網(wǎng)絡(luò)；利用單板機的強大的實時控制功能和網(wǎng)絡(luò)功能，使信號處理機發(fā)揮最大功效。下面給出SHARC陣列板與其前端的單板機組成的通信處理系統(tǒng)，如圖1所示。
該嵌入式系統(tǒng)基于標準的VME總線結(jié)構(gòu)，SHARC處理器為ADSP21060，其時鐘頻率為40MHz，晶體振蕩器的頻率為25.6MHz。每一個SHARC處理器都支持高達240MB/s的高速通信。對SHARC的軟件開發(fā)采用Apex(Advanced parallel excutive)，即高級并行執(zhí)行指令，由Signal Spectrum公司開發(fā)的SHARC指令高級開發(fā)語言。
Apex提供了性能優(yōu)良的、靈活的并行處理器指令集，以及對DSP硬件的便捷訪問功能。同時，Apex還提供了基于VME總線的通信機制，允許從主機下裝SHARC代碼到客戶機，并且具備在主機和客戶機之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋１疚牟捎妹绹鳰otorola公司生產(chǎn)的單板機MVME2700，中央處理器PowerPC MPC750作為Melbourne的前端通信控制器。MVME2700是一個高度集成計算機系統(tǒng)，適用于要求高度實時控制管理的系統(tǒng)環(huán)境。它所使用的操作系統(tǒng)就是嵌入式的實時操作系統(tǒng)中的佼佼者VxWorks。VxWorks是具有高性能的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。該內(nèi)核使用中斷驅(qū)動、搶占優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)配機制，這種機制使得VxWorks具有高性能的實時特性。MVME2700的通信控制程序通過Tornado軟件在Windows環(huán)境下進行程序開發(fā)。
2 SHARC的VME總線通信機制分析
如果要實現(xiàn)MVME2700對SHARC的實時控制，則必須了解SHARC是如何基于VME總線對外訪問的。由于MVME2700對SHARC陣列板起著程序下載、引導(dǎo)和控制作用，在Apex開發(fā)環(huán)境下視其為主機，而SHARC陣列板則稱為目標機。對于SHARC陣列板而言，一般只有根部SAHRC處理器參與VME總線通信。Apex支持兩類主機與SHARC系統(tǒng)進行VME通信的方式：一類方式是在主機應(yīng)用程序和SHARC陣列板根部處理之間進行的較低層的數(shù)據(jù)塊拷貝，類似于簡單的本地數(shù)據(jù)拷貝標準C程序當(dāng)中的memcpy；另一類則以客戶端/服務(wù)端交互的形式在主機與SHARC之間建立通信，利用中斷實現(xiàn)同步，并且可以多路傳輸。下面對這兩種方式加以分析。
2.1 同存塊拷貝方式
Apex提供主機與SHARC目標機的任何內(nèi)存地址拷貝數(shù)據(jù)的函數(shù)：cpy_to_SHARC()和cpy_from_SHARC()。給出SHARC陣列板上SHARC-0（根部處理器）的本地地址和主機上的本地址，即可進行內(nèi)存塊拷貝。本質(zhì)上，這是一種基于VME總線的共享內(nèi)存DMA方式，函數(shù)cpy_to_SHARC()和cpy_from_SHARC()自動將主機與目標機的本地址釋放成VME總線地址，通過共享內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸，因此可以不必關(guān)心低層具體的VME總線映射關(guān)系，而將重點在上層數(shù)據(jù)傳輸。不過，某些情況下需要獲得VME映射關(guān)系的時候，例如主機需要通過VME總線對SHARC的控制寄存器進行操作，此時應(yīng)當(dāng)利用VxWorks的函數(shù)sysLocaltoBusAddr()來主動獲得該寄存器的VME地址映射，對該VME地址進行位操作。要做到這一點，在NT操作系統(tǒng)下則顯得要麻煩得多。由于SHARC與MVME2700的數(shù)據(jù)拷貝通過VME總線傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速率是非常高的；同時，由于采取了DMA方式，幾乎不需要CPU介入，從而可提高程序執(zhí)行效率。
2.2 客戶/服務(wù)的阻塞交互方式
該方式要求每次客戶端申請獲得服務(wù)的時候，向系統(tǒng)提供一個服務(wù)請求。該請求包括標簽和一同發(fā)送的數(shù)據(jù)包，其結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)格式如下：
typedef struct{
INT32 tag; /*服務(wù)標簽*/
INT32 param; /*客戶服務(wù)程序參數(shù)*/
INT32 data; /*數(shù)據(jù)包指針*/
INT16 length; /*數(shù)據(jù)包長度*/
INT16 max_len; /*返回包的最大長度*/
} Server_packet
客戶端提完申請之后就會進入阻塞狀態(tài)等待服務(wù)端的回答。服務(wù)端截獲該申請之后，根據(jù)服務(wù)標簽啟動相應(yīng)的服務(wù)模塊，完成相應(yīng)的服務(wù)之后向客戶端發(fā)送回復(fù)，此時客戶端才能停止阻塞恢復(fù)運行，如圖2所示。申請和回復(fù)這兩種數(shù)據(jù)包具有同樣的結(jié)構(gòu)，每次最大數(shù)據(jù)傳輸量不能超過4KB?？蛻舳伺c服務(wù)端之間的實時響應(yīng)由系統(tǒng)發(fā)送中斷自動完成，不需要人為干預(yù)，具有較高的實時性和安全性。
該方式實質(zhì)是構(gòu)架于VME總線中斷之上的。在客戶端發(fā)送申請包的時候包含了一個VME總線中斷，由該中斷驅(qū)動服務(wù)端的服務(wù)循環(huán)模塊，然后服務(wù)循環(huán)模塊再調(diào)用相應(yīng)的客戶服務(wù)程序，從而實現(xiàn)兩路通信握手。該方式將底層的VME總線中斷驅(qū)動機制封裝起來，在上層建立了規(guī)范的服務(wù)循環(huán)模塊并且允許添加個人服務(wù)程序，對于軟件的規(guī)范與維護有利。當(dāng)然，如果需要更高的實時性，可以不采用該方式，而是由客戶端直接發(fā)送VME總線中斷來實現(xiàn)握手，但必須對于底層的中斷寄存器直接操作，不易維護。需要指出的是，對于具有拓撲結(jié)構(gòu)的SHARC芯片組而言，只能由根端SHARC處理器作為客戶端，內(nèi)存拷貝也只能在根部SHARC處理器與服務(wù)端處理機之間進行。
一般來說，進行高強度運算的信號處理機都應(yīng)該具有嚴格的工作時序，在每個工作時序進入相應(yīng)的工作狀態(tài)，這有利于其它分系統(tǒng)的相關(guān)處理以及信號處理機運算流程的合理安排。因此，對于信號處理機可以采取被動觸發(fā)控制，即信號處理機完成當(dāng)前工作時序之后向通信控制器提交下一工作時序請求，通信控制器可根據(jù)外部指令（通過網(wǎng)絡(luò)）決定何時執(zhí)行，這期間信號處理機應(yīng)當(dāng)處理阻塞狀態(tài)等待回答。那么通信控制器可以利用Apex提供的第二類交互方式，作為服務(wù)端實時響應(yīng)SHARC的服務(wù)申請，并根據(jù)整體系統(tǒng)工作時序決定信號處理機的阻塞時間；同時，該方式提供每次4KB的傳輸量，可以用來下發(fā)工作參數(shù)和其它命令。這樣既可避免繁瑣的中斷同步設(shè)置，又有利于軟件的范也維護；而進行大指數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)當(dāng)?shù)谝活惙绞??？紤]到采取該方式缺乏握手機制，故應(yīng)當(dāng)在交互方式以及VxWorks的多任務(wù)協(xié)調(diào)與約束下進行避免數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生沖突與覆蓋。
3 被動觸發(fā)控制實現(xiàn)
3.1 阻塞式時序控制
要實現(xiàn)對信號處理機的被動觸發(fā)控制，必須在通信控制器上建立面向SHARC陣列板的服務(wù)模塊。Apex提供一個SHARC_system對象，所有的服務(wù)都基于該對象建立，包括Melbourne引導(dǎo)。該類中的成員函數(shù)SHARC_system::transaction的作用是初始化一個雙向通信管道，客戶端/服務(wù)端的交互通道都通過該通道進行。完成管道初始化之后，調(diào)用相應(yīng)的成員函數(shù)SHARC_system::service_loop建立服務(wù)循環(huán)，如下面的程序所示：
/*服務(wù)循環(huán)線程*/
int service_thread(SHARC_system *sys){
int status；
printf（“service thread running...”）；
sys->service_loop(Timeout(ENVER));/*啟動服務(wù)循環(huán)*/
sys->exit_status(status); /*退出服務(wù)循環(huán)*/
exit(status)；
return status；
}
利用VxWorks的任務(wù)產(chǎn)生函數(shù)taskSpawn()，將service_thread服務(wù)循環(huán)派生成一個獨立的線程來處理SHARC的申請。當(dāng)SHARC的程序退出后，通信控制器的循環(huán)也將自動終止。
由于服務(wù)端必須根據(jù)客戶端提供的服務(wù)標簽調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)，這就要求為SHARC_system類加載個人的服務(wù)程序。首先，定義系統(tǒng)標準類Service_group的繼承類Custom_group。然后，在這個類當(dāng)中添加自己的成員函數(shù)，即通信控制器SHARC的服務(wù)程序；同時，再定義一個向量表table[]，將不同成員函數(shù)名稱順次列在其中編制成服務(wù)標簽，如下所示：
Custom_call Custom_group::table[]={
/*在向量表里添加服務(wù)標簽，第一個對應(yīng)的標簽序號為0
（table[0]）,第二個為1（table[1]）,以后的以此類推*/
executCommand1,
executCommand2，
……
};
void Custom_group::executCommand1(Server_packet *pkt){
/*在這里用戶寫入自己的服務(wù)代碼*/
}
當(dāng)服務(wù)端接收到了申請后，會立刻自動調(diào)用Custom_group::call_service()。該函數(shù)的作用是讀取服務(wù)標簽號碼，并從table[]當(dāng)中取出相應(yīng)的客戶服務(wù)程序執(zhí)行它，如下所示：
void Custom_group::call_service(Server_packet *pkt){
int tag=MINOR_TAG(pkt->tag); /*讀取申請包里的標簽序號*/
if(tag>=0 tag=MAX) /*判斷服務(wù)標簽是否在原先設(shè)定的范圍內(nèi)*/
{
(this->*(table[tag]))(pkt); /*根據(jù)標簽調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)*/
}
……
}
此時可將需要下達的指令裝載在回復(fù)包，當(dāng)客戶服務(wù)程序執(zhí)行完畢之后，該回復(fù)包立刻被自動發(fā)送出去，因此，可在允許信號處理機進入下一工作時序的時候?qū)⒖蛻舴?wù)程序返回。在Custom_group類當(dāng)中可以添加各項控制服務(wù)項目，例如Melbourne開機/關(guān)機、工作參數(shù)下發(fā)等等。
由于這種客戶/服務(wù)交互通信采用了阻塞模式，即SHARC必須等待通信控制器的回復(fù)才可以繼續(xù)執(zhí)行，但在某些情況下SHARC不需要等待。例如，SHARC提出申請，通知通信控制器將計算完畢的數(shù)據(jù)取走，而SHARC不必等待通信控制器將數(shù)據(jù)拷貝完畢才執(zhí)行后面的計算。為了避免一直阻塞，可在相應(yīng)的客戶服務(wù)程序當(dāng)中設(shè)置一個信號燈，當(dāng)該程序被調(diào)用的時候即釋放該信號燈，由信號燈驅(qū)動其它的模塊進行數(shù)據(jù)拷貝，而該客戶服務(wù)程序立刻返回使SHARC解除阻塞狀態(tài)，如圖3所示。
要實現(xiàn)該功能，可采取如下的程序代碼：
void Custom_group::executCommand1(Server_packet *pkt){
semGive(semId); /*信號燈驅(qū)動數(shù)據(jù)拷貝模塊*/
return；
}
/*數(shù)據(jù)拷貝模塊*/
void SharcDataCopy(void){
semTake(semId); /*等待獲得信號燈*/copy_from_SHARC(localBuffer,SHARCBufferAddress,dataLength)； /*從SHARC拷貝數(shù)據(jù)*/
}
通過以上代碼，當(dāng)SHARC提出申請后，通信控制器立刻響應(yīng)該申請，并在客戶服務(wù)程序當(dāng)中釋放信號燈。驅(qū)動數(shù)據(jù)拷貝模塊向Melbourne的根部處理器提取數(shù)據(jù)，客戶服務(wù)程序迅速返回，解除信號處理機的阻塞狀態(tài)。
4 結(jié)論
通過以上的步驟，MVME2700作為服務(wù)端可以隨時響應(yīng)SHARC的服務(wù)請求，利用阻塞特性執(zhí)行相應(yīng)的時序控制操作；同時，也可以執(zhí)行非阻塞數(shù)據(jù)拷貝，從而在VxWorks環(huán)境下建立起通信控制器與SHARC之間完整的被動觸發(fā)控制模式。實際上，也可以由SHARC作為服務(wù)端，MVME2700作為客戶端，建立的方法與上述基本一致。這種模式下，陣列板的任何一塊SHARC處理器均可以作為服務(wù)端，而并非僅有根部處理器。
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