基于Visual DSP++4.0開發(fā)的TigerSHARC DSP多處理器系統(tǒng)及其應(yīng)用
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0 引言
ADI公司的高性能數(shù)字信號處理器Tiger-SHARC系歹0包括ADSP-TS101S、ADSP-TS201S、ADSP-TS202S和ADSP-TS203S等芯片。它們被廣泛應(yīng)用于視頻和通信市場，包括3G蜂窩和寬帶無線基站以及國防軍事設(shè)備，如戰(zhàn)地雷達、航空器和聲納等。目前，TigerSHARC高性能數(shù)字信號處理器已成為多個DSP并行處理應(yīng)用的實用標準，對加快數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展和擴大DSP的應(yīng)用起到了十分突出的促進作用。Visual DSP++4.0是一種使用方便的集成調(diào)試開發(fā)軟件平臺，它支持ADI公司浮點系列處理器的各種產(chǎn)品(如SHARC系列，BLACKfin系列和TigerSHARC系列)。它可以通過可視化的圖形窗口方式與用戶進行信息交換，也可以在窗口中進行高效的工程管理，并輕松地在編輯、編譯和調(diào)試之間相互切換，以實現(xiàn)高效率的程序開發(fā)。 本文結(jié)合某圖像實時處理系統(tǒng)的實現(xiàn)，重點介紹了基于ADSP-TS201S的多處理器系統(tǒng)的構(gòu)建方法，討論了其數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ剑瑥亩鴮崿F(xiàn)了以Visual DSP++4.0為平臺，面向ADSP-TS201S EZ-KitLite，并采用共享外部總線的模式構(gòu)成的MP系統(tǒng)。
1 多處理器系統(tǒng)的構(gòu)建
當系統(tǒng)中存在多個處理器，且用戶想一起控制／調(diào)試這些處理器時，必須要為協(xié)調(diào)功能進行額外的編程，以便調(diào)試和構(gòu)建多處理器系統(tǒng)。
1.1 MP系統(tǒng)的連接描述文件(LDF)
建立MP系統(tǒng)的第一步是使用鏈接器的多處理器功能創(chuàng)建一個多處理器工程和一個描述系統(tǒng)的LDF文件。
其中LDF文件用于描述多處理器的存儲器偏移量、共享存儲區(qū)和每個處理器的存儲空間。在書寫MP系統(tǒng)的LDF文件時，必須考慮以下LDF命令：
◇MPMEMORY {}，該命令定義了每個處理器在多處理器存儲空間(MMS)中的偏移量。在多處理器鏈接過程中，鏈接器使用該偏移量來鏈接各個處理器；
◇MEMORY {}，該命令可定義系統(tǒng)中每個處理器的存儲空間；
◇PROCESSOR {} 和SECTIONS {}，利用這兩個命令可定義各個處理器，并可使用存儲器定義將每個處理器的輸出文件放置到程序段中。
◇SHARED_MEMORY {}，當在系統(tǒng)中使用了外部共享存儲器時，需要使用該命令。該命令能識別共享存儲器項的輸出，并生成駐留在MP系統(tǒng)的共享存儲空間中的共享存儲區(qū)的可執(zhí)行文件(.SM)。
◇SM文件由工程文件中的源文件(.ASM，.C或CPP)產(chǎn)生，該文件包含有放置于外部共享存儲器中的數(shù)據(jù)變量的定義。
◇LINK_AGAINST ()，該命令可解析多處理器存儲空間中的符號，并命令鏈接器檢查指定的可執(zhí)行文件(.DXEs and.SMs)，以解析局部沒有解析的變量和標號，以及在MMS (也就是系統(tǒng)中其他處理器的內(nèi)部存儲器)中定義的表達式或變量。通常在LDF文件中，必須使用LINK_A-GAINST 0命令。
如果命令行中包含.SM和DXE文件，則必須先放.SM文件，后面接著放其他DXE文件，只有這樣，鏈接器才能正確的解析變量。一個LDF文件中最多可以說明的處理器數(shù)量是由處理器結(jié)構(gòu)指定的(比如ADSP TS201最多支持8片)。應(yīng)該注意的是，在同一個LDF文件中，VisualDSP++4.0不支持有不同結(jié)構(gòu)的DSP混合使用(如ADSP-TS201S和ADSP-21160混合使用)。
1.2 多處理器存儲空間(MMS)
多處理器存儲空間可分成許多不同的地址區(qū)(地址區(qū)的數(shù)量是處理器指定的)，這些地址區(qū)與MP系統(tǒng)中各個DSP的內(nèi)部存儲器空間是一致的。圖1所示是對ADSP-TS201S的多處理器存儲空間的描述。
多處理器系統(tǒng)中某個特定的處理器的內(nèi)部存儲器既可以作為源地址訪問，也可以作為目的地址來訪問，具體訪問取決于使用的地址區(qū)。對廣播區(qū)寫數(shù)據(jù)時，將訪問多處理器系統(tǒng)中所有DSP的內(nèi)部存儲器。例如，訪問地址空間0x1000000-0x13FFFFF中的某個存儲單元，與訪問多處理器系統(tǒng)中ID號為0的DSP的內(nèi)部存儲空間是等價的。
TigerSHARC處理器可通過對其多處理器空間的寫操作來訪問，也可以訪問其自身的內(nèi)部存儲空間，但該操作是通過外部總線完成，在數(shù)據(jù)通過TigerSHARC總線接口的特殊情況下，一般不應(yīng)使用該操作。而對多處理器空間自身的讀訪問將設(shè)置SYSTAT寄存器中的SELF MPROC READ錯誤標志位，表示該操作是非法訪問。
下面是使用MMS來訪問系統(tǒng)中另一片DSP芯片存儲區(qū)的源程序(此時，ID號為0的DSP訪問ID號為1的DSP的內(nèi)部存儲空間)：
其中，ID1的MMS地址為0x14000000，該地址與ID1相對應(yīng)的內(nèi)部存儲器(0X800000)地址相加，就可以IDO對ID1的內(nèi)部存儲區(qū)進行讀訪問。
在DSP多處理器系統(tǒng)中，必須存在ID號為0且接有SDRAM的DSP，該DSP用于執(zhí)行對SDRAM的初始化(MRS)。這樣，就存在一個僅由ID=000的DSP使能開漏上拉的相關(guān)問題。也就是說，在復位后。ID0就是總線控制器，由它來以循環(huán)優(yōu)先級方式將總線控制權(quán)從當前主處理器轉(zhuǎn)移到其它處理器。
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1.3外部存儲器
ADSP-TS201S片內(nèi)的24Mbit嵌入式DRAM (e-DRAM)既可以存放程序，也可以存放數(shù)據(jù)。然而，在某些應(yīng)用中，也需要使用外部存儲器。外部存儲器可在MP系統(tǒng)中作為系統(tǒng)中所有DSP的共享資源，也可以由某個處理器專用。
在硬件系統(tǒng)中使用不同類型的存儲器時，系統(tǒng)中所有的DSP都必須建立對它恰當?shù)脑L問方式。用戶可通過系統(tǒng)控制寄存器(SYSCON)來對訪問方式進行編程。用戶定義的設(shè)置必須支持與存儲器設(shè)備相一致的訪問模式，而該訪問模式正是用戶希望在硬件系統(tǒng)中使用的訪問方式。共享外部總線簇連接的所有處理器的SYSCON寄存器都必須有相同的設(shè)置。 ADSP-TS201S支持對SDRAM的無縫連接。和SYSCON寄存器一樣，所有處理器的SDRAM配置寄存器(SDRCON)也必須設(shè)置成相同的值。DSP的內(nèi)部存儲器控制器一旦配置，DSP就可以通過外部總線訪問外部存儲器。
筆者設(shè)計的本系統(tǒng)有兩個DSP，并將SDRAM作為它們的外部共享資源。下面是其程序代碼，從該代碼可見，其與SDRCON寄存器的初始化相一致。
1.4矢量中斷(VIRPT)
矢量中斷用于主機和DSP之間，或者DSP和DSP之間的通信。該中斷是其它主處理器使用的通用中斷。通過把中斷子程序的地址寫入VIRPT寄存器，主機或主DSP就可以從DSP發(fā)出矢量中斷命令。當服務(wù)該中斷時，高優(yōu)先級中斷將使DSP轉(zhuǎn)到子程序地址，以服務(wù)該子程序。
上例中，通過把ID0中服務(wù)子程序地址寫到ID0中的VIRPT寄存器(0x11807300=0x1807300VIRPT地址+0x10000000 MMS ID0)中，可使ID1觸發(fā)ID0的矢量中斷。
一旦外部定義的標號用作ISR地址(如例中的VIRPT_ISR_ID0)，服務(wù)中斷(MMS_ID0)的DSP的MMS偏移量就必須減去某個值，才能正確的對應(yīng)到ISR的矢量地址。
上例僅僅說明了如何使用內(nèi)部處理器的VIRPT中斷作為標志，或者表征MP系統(tǒng)中程序已經(jīng)執(zhí)行完成。
2多處理器的數(shù)據(jù)傳輸
多處理器系統(tǒng)往往需要進行海量數(shù)據(jù)流的處理，以提高系統(tǒng)的工作效率。通常用于實現(xiàn)ID0和ID1之間的直接存儲器(DMA)、從ID0和ID1到外部存儲器(SDRAM)、從ID1到ID0的核傳輸、對系統(tǒng)中所有DSP廣播式寫操作等幾種外部端口(EP)的數(shù)據(jù)傳輸。
TigerSHARC包含了14個DMA通道，其中4個指定為外部存儲器設(shè)備(通道0、1、2、3)。
2.1 從ID0到ID1的DMA傳輸
本實例說明了從ID0內(nèi)部存儲器到ID1外部存儲器的DMA數(shù)據(jù)傳輸。在這種情況下，DMA通道0可將tx_ID0中存儲的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絩x_ID1中。但這種傳輸方式必須建立兩個傳輸控制塊(TCBs)，其中一個是源地址，另一個是目的地址。
由于在該實例中沒有選擇2維DMA，因此，應(yīng)注意寄存器xr2和yr2中的值是不相關(guān)的。只要源和目的TCB裝入新值，DMA傳輸就會開始。一旦DMA完成，就產(chǎn)生中斷，并運行_dma_int矢量中斷程序。
下面是用DMA通道0將值載入到每個TCB的程序代碼：
2.2 ID0到SDRAM的DMA傳輸
從ID0內(nèi)部存儲器到SDRAM進行數(shù)據(jù)傳輸時，只需對以前的例子作細微的改動即可。即先使源TCB裝人的值和前面(xR3:0)寄存器的值相同，目的TCB則用寄存器yr3:0的值寫入，而yr0的值則由rx_ID1改變?yōu)閟hared_data。這種情況下，就可通過DCS0和DCD0分別代替DCS1和DCD1，并用DMA通道1實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。代碼如下：
向一個激活的TCB寫數(shù)據(jù)時，如在完成當前傳輸之前，那么，使用相同的DMA通道執(zhí)行數(shù)據(jù)的回寫操作，可能會導致非法操作，其錯誤標志將保存到DMA狀態(tài)寄存器(DSTAT)中。
2.3 ID1到SDRAM的DMA傳輸
下面的實例是從內(nèi)部存儲器到SDRAM的DMA數(shù)據(jù)傳輸(只是從ID1，而不是ID0)?？蓱?yīng)用相同的概念設(shè)置源和目的TCB：
本例中，源TCB中裝入的值和前面(xR3:0)寄存器中的值相同，唯一的差別就是索引量現(xiàn)在指向ID1的內(nèi)部存儲器tx_ID1。目的TCB中寫入的值與yr3:0寄存器的值相同，而此處yr0指向shared_data+TAPS。TAPS是指到緩沖區(qū)后半部分的偏移量，該緩沖區(qū)可在SDRAM中防止覆蓋ID0已經(jīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以便下一次使用通道0。
2.4 從ID1到ID0的核傳輸
核傳輸是不使用DMA的另外一種數(shù)據(jù)處理方式。這種情況下，整數(shù)算術(shù)邏輯單元(IALU)用于從ID1到ID0內(nèi)部存儲器的數(shù)據(jù)傳輸。實例說明如下：
本例說明了兩個數(shù)組，每個DSP的內(nèi)部存儲器中都有一個。通過MMS(tx_ID1到tx_ID0)可用ID1將數(shù)據(jù)寫到ID0中的數(shù)組中。IALU寄存器用于訪問兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以執(zhí)行直接數(shù)據(jù)傳輸。
3 ID檢測
在多處理器系統(tǒng)構(gòu)建完成后，接下來還要注意：所生成的可執(zhí)行文件要載人到該系統(tǒng)中正確的DSP中，以免出錯，以下子程序可用于檢測所生成的可執(zhí)行文件是否載入到了系統(tǒng)中正確的DSP中，以確保沒有ID失配：
該程序可從SYSTAT寄存器中讀入DSP的ID值，并和DSP的理論ID值相比較。本例中的程序為ID1編寫，因此，應(yīng)保證它載入到了正確的目標DSP1。如果不正確，程序就會進入無窮循環(huán)，同時標志錯誤發(fā)生。
4結(jié)束語
除了多處理器系統(tǒng)的構(gòu)建方法和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ酵猓琈P系統(tǒng)應(yīng)用中還有DSP資源的分配、總線連接和多DSP系統(tǒng)與FPGA等內(nèi)容。隨著ADSP-TS201S芯片的廣泛應(yīng)用，該處理器的運算速度、存儲能力和通信邏輯處理優(yōu)勢已明顯的表現(xiàn)出來，而且鏈路口的傳輸速度、可靠性和靈活性也較以前有了較大的改觀。TigerSHARC功能強大的運算單元和支持多處理器并行處理的特性，使得它特別適用于復雜的系統(tǒng)，如國防工業(yè)、醫(yī)用圖像處理以及復雜無線通信算法的處理。
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