DSP/BIOS中的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程技術(shù)

摘要：介紹了DSP/BIOS中I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫，并給出了一個(gè)在TMS320C5402 DSK上開發(fā)語(yǔ)音處理程序的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器（DSP） 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng) 應(yīng)用程序接口（API）

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP在航空、航天、雷達(dá)、通信、消費(fèi)類電子設(shè)備等方面都得到了廣泛應(yīng)用；同時(shí)，DSP的運(yùn)算能力也越大越強(qiáng)大，TI公司新推出的TMS320C6400系列的運(yùn)算能力可以達(dá)到8800MIPS。這些都要求開發(fā)DSP的應(yīng)用程序要縮短開發(fā)時(shí)間，增加軟件的可編護(hù)性和可重用性。語(yǔ)音壓縮、語(yǔ)音識(shí)別、圖像處理等方面的應(yīng)用要求DSP的開發(fā)盡可能簡(jiǎn)單，還要求代碼的執(zhí)行效率高。

DSP/BIOS是TI公司推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。DSP/BIOS與TI的CCS（Code Composer Studio）集成在一起。目前最新的版本是CCS 1.2中的DSP/BIOS II。應(yīng)用DSP/BIOS可以大大簡(jiǎn)化DSP應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試。與外部設(shè)備的I/O接口是DSP應(yīng)用開發(fā)中不可缺少的重要部分?；贒SP/BIOS的I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)將軟件與硬件分離，提高了軟件的可重用性，在軟件或硬件改動(dòng)時(shí)可使相互的影響降為最小。

1 DSP/BISO操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DSP/BIOS實(shí)際上是一組可重復(fù)調(diào)用的系統(tǒng)模塊API的集合。只占用DSP很少的資源，可以滿足DSP實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)的調(diào)試性能分析，編寫高效的程序。例如，在TMS320C6211上運(yùn)行printf()函數(shù)需花費(fèi)4000個(gè)周期，而運(yùn)行LOG_printf()只花費(fèi)36個(gè)周期，可printf()要比LOG_pfrintf（）多花費(fèi)100倍以上的時(shí)間。下面只對(duì)與I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)有關(guān)的模塊作簡(jiǎn)要介紹。

1.1 任務(wù)調(diào)度模塊（HWI/SWI/TSK）

在DSP/BIOS中，任務(wù)的調(diào)度是通過(guò)HWI、SWI和TSK三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的。HWI（硬件中斷管理模塊）管理硬件中斷，主要負(fù)責(zé)DSP與外設(shè)的交互，從外設(shè)中讀寫數(shù)據(jù)。由于硬件中斷直接與硬件打交道，對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序ISR應(yīng)盡可能短小精焊。HWI不引起任務(wù)調(diào)度，它在處理完數(shù)據(jù)的輸入輸出后調(diào)用SWI_post()來(lái)調(diào)度相應(yīng)的軟件中斷SWI完成數(shù)據(jù)處理工作。

DSP/BIOS提供兩類優(yōu)先線程：SWI（軟件中斷管理模塊）和TSK（任務(wù)管理模塊）。SWI是DSP/BIOS任務(wù)調(diào)度的核心，SWI任務(wù)是搶斷式的，即高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以搶斷低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。但是SWI任務(wù)是不可阻塞的，所有SWI任務(wù)共享一個(gè)堆棧，SWI任務(wù)只能在程序編制時(shí)預(yù)先定義好。DSP/BIOS中對(duì)任務(wù)的動(dòng)態(tài)產(chǎn)生和對(duì)阻塞狀態(tài)的支持是通過(guò)TSK模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。TSK也是可以搶斷的，但每個(gè)TSK任務(wù)使用獨(dú)立的堆棧。

1.2 通訊模塊（PIP/SIO）

PIP（帶緩沖管道管理模塊）和SIO（流輸入輸出管理模塊）是DSP/BIOS提供的兩個(gè)接口對(duì)象，用于支持DSP與外設(shè)之間 數(shù)據(jù)交換。PIP對(duì)象帶有一個(gè)緩沖隊(duì)列，可以執(zhí)行帶緩沖的讀任務(wù)和寫任務(wù)。SIO沒(méi)有緩沖隊(duì)列，SIO的操作get()和put()在應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序之間交換緩沖的指針，而不是數(shù)據(jù)的拷貝，因此執(zhí)行效率比PIP高。

PIP和SIO對(duì)象支持基于幀的信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在多速率系統(tǒng)中需要使用優(yōu)先級(jí)線程來(lái)統(tǒng)一端口通信，在其它需要處理不同尺寸、不同速率的幀的系統(tǒng)中，優(yōu)先級(jí)線程也是必須的。PIP對(duì)象可被SWI或TSK線程使用，而SIO對(duì)象只能被TSK使用。

2 低級(jí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)（LIO）

LIO（Low Level I/O）是一組基于DSP/BIOS設(shè)計(jì)的API函數(shù)。它由控制函數(shù)、I/O緩沖區(qū)管理函數(shù)、信令函數(shù)組成，如表1所示。應(yīng)用程序可以通過(guò)LIO函數(shù)控制一個(gè)或多個(gè)外設(shè)通道。

表1 LIO API函數(shù)

LIO函數(shù)不考慮數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)送方向，也就是說(shuō)僅執(zhí)行輸出設(shè)備、僅執(zhí)行輸入設(shè)備和能執(zhí)行輸入、輸出的設(shè)備執(zhí)行的是同樣的函數(shù)。輸入與輸出之間的主要不同點(diǎn)是傳送到緩沖區(qū)隊(duì)列函數(shù)的參數(shù)意義不同。既然所有其它的操作都是同樣的，大多數(shù)控制代碼能在單個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中被所有通道共享。

2.1 總體設(shè)計(jì)、設(shè)想和命名規(guī)范

所有的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)都不能設(shè)置成全局中斷。驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)不影響全局中斷使能標(biāo)記的狀態(tài)，僅影響由它控制的外設(shè)所能觸發(fā)的中斷所對(duì)應(yīng)使能標(biāo)記的狀態(tài)。這樣可以阻止一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序與其它驅(qū)動(dòng)程序或應(yīng)用程序爭(zhēng)奪CPU資源。

為了避免由不同驅(qū)動(dòng)程序使用同一函數(shù)名引起的命名空間沖突，也為了改變驅(qū)動(dòng)程序而不需再編譯應(yīng)用程序代碼，可以通過(guò)函數(shù)表訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)。用這種方式，僅需要為每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序定義一個(gè)外部符號(hào)。這種符號(hào)有其命名規(guī)范。此命名規(guī)范通過(guò)接線板、在片外設(shè)、LIO接口等來(lái)區(qū)分。如包含應(yīng)用程序注釋的源代碼為TI TMS320VC5402 DSK的AD50音頻編解碼器執(zhí)行基于DMA的驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)表名是DSK5402_DMA_AD50_TI_ILIO。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序支持的各通道半雙工（輸入或輸出）通道。每個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)通道變量。一個(gè)能執(zhí)行輸入和輸出的物理設(shè)備，如連接到音頻編解碼器的DSP串口，可通過(guò)兩個(gè)半雙工通道（一個(gè)輸入，一個(gè)輸出）來(lái)訪問(wèn)。一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序支持多少個(gè)物理設(shè)備和通道依具體實(shí)現(xiàn)而實(shí)。一般一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)能控制一個(gè)物理設(shè)備，此設(shè)備可能有多個(gè)通道。通道號(hào)與物理設(shè)備通道的映射執(zhí)行時(shí)確定。通道號(hào)應(yīng)約定從0開始。對(duì)I/O設(shè)備，一般約定偶數(shù)號(hào)為輸入，奇數(shù)號(hào)為輸出。

2.2 三類函數(shù)

LIO接口中有三類函數(shù)：控制函數(shù)、緩沖區(qū)和隊(duì)列管理函數(shù)、信令函數(shù)。

2.2.1 控制函數(shù)

控制函數(shù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟動(dòng)、關(guān)閉和控制。其初始函數(shù)為驅(qū)動(dòng)程序保存資源（物理外設(shè)和內(nèi)存）。它使用結(jié)構(gòu)指針作為可選變量，此結(jié)構(gòu)是一種設(shè)備的特殊變量結(jié)構(gòu)。

2.2.2 隊(duì)列管理

假定每個(gè)設(shè)備至少有一個(gè)用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。許多設(shè)備（如McBSP和DMA）帶有允許雙緩沖的緩沖隊(duì)列。圖1是一個(gè)有三個(gè)存儲(chǔ)單元的LIO驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序中有：由外設(shè)填滿或清空的緩沖區(qū)“todevice”（到設(shè)備）隊(duì)列，將傳送的緩沖區(qū)返回到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)管理程序的“from device”（來(lái)自設(shè)備）隊(duì)列和當(dāng)前傳送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。在虛線框里的認(rèn)為是在驅(qū)動(dòng)程序里面。當(dāng)前傳送數(shù)據(jù)的緩沖一般由外設(shè)寄存器控制，如DMA源寄存器或目標(biāo)寄存器，在圖1中畫在“外設(shè)”中。含硬件隊(duì)列（如DMA重新如載寄存器）的設(shè)備也會(huì)含一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)單元用業(yè)存儲(chǔ)指針為以后傳送用，此隊(duì)列為“to device”隊(duì)列。能包含緩沖區(qū)指針的第三個(gè)存儲(chǔ)單元是“from device”隊(duì)列，在驅(qū)動(dòng)程序中為一變量。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備傳送緩沖區(qū)時(shí)，緩沖區(qū)從輸入隊(duì)列傳送到外設(shè)寄存器。這些緩沖區(qū)然后移到輸出隊(duì)列以完成傳送，作為對(duì)CPU中斷的響應(yīng)。

PutBuf()將緩沖區(qū)從應(yīng)用程序傳送到驅(qū)動(dòng)程序的輸入隊(duì)列。GetBuf()從輸出隊(duì)列得到緩沖區(qū)。IsEmpty()和IsFull()返回輸入隊(duì)列、輸出隊(duì)列的狀態(tài)。如果輸入隊(duì)列滿，因?yàn)闊o(wú)空間裝新緩沖區(qū)，調(diào)用putBuf()會(huì)返回錯(cuò)誤代碼。若IsFull()返回false，接下來(lái)可調(diào)用putBuf()。如果IsFull()返回true，但若在IsFull()返回true和調(diào)用putBuf()之間完成傳送，則調(diào)用putBuf()也可能會(huì)成功。

2.2.3 信令

如圖1所示，當(dāng)傳送結(jié)束一般會(huì)觸發(fā)CPU中斷。此中斷會(huì)使應(yīng)用程序?qū)魉偷木彌_區(qū)轉(zhuǎn)移到輸出隊(duì)列，然后調(diào)用calback()傳到驅(qū)動(dòng)程序。Callback()應(yīng)向應(yīng)用程序發(fā)信號(hào)告知傳送完畢。

3 LIO驅(qū)動(dòng)程序例子

音頻處理如語(yǔ)音壓縮、呼叫過(guò)程音調(diào)檢測(cè)等，是DSP的一般應(yīng)用。本例是使用TMS320C5402 DSK上的DMA將音頻編解碼數(shù)據(jù)從McBSP移到緩沖區(qū)中。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序響應(yīng)應(yīng)用程序調(diào)用和設(shè)備中斷時(shí)，采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)跟蹤驅(qū)動(dòng)程序的狀態(tài)。有效狀態(tài)是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序緩沖區(qū)隊(duì)列的狀態(tài)，如圖1所示。

圖2給出了此模式中最簡(jiǎn)單的傳送狀態(tài)集。圓圈中單詞表示設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序緩沖區(qū)隊(duì)列的狀態(tài)。第一個(gè)單詞是“to device”隊(duì)列，第二個(gè)表示外設(shè)占用緩沖區(qū)指針，第三個(gè)是“from device”隊(duì)列，第二個(gè)表示外設(shè)占用緩沖區(qū)指針，第三個(gè)是“from device”隊(duì)列。E表示空，F(xiàn)表示滿，EEE是起始狀態(tài)。

每個(gè)隊(duì)列可以是空（E），滿（F），非空非滿（N）。應(yīng)用程序調(diào)用PutBuf()將緩沖區(qū)放到“to device”隊(duì)列中。驅(qū)動(dòng)程序立即將緩沖區(qū)放進(jìn)外設(shè)，轉(zhuǎn)移到狀態(tài)“EFE”。當(dāng)傳送完畢，外設(shè)向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)中斷信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)中斷處理程序?qū)⒕彌_區(qū)從外設(shè)寄存器轉(zhuǎn)移到“from device”隊(duì)列，轉(zhuǎn)移到狀態(tài)“EEF”，接著調(diào)用應(yīng)用程序的回調(diào)函數(shù)?；卣{(diào)函數(shù)調(diào)用GetBuf（）從驅(qū)動(dòng)程序的“from device”隊(duì)列重新得到緩沖區(qū)，驅(qū)動(dòng)程序返回起始狀態(tài)。

如果驅(qū)動(dòng)程序支持硬件排隊(duì)，則當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)正由外設(shè)傳送時(shí)，“to device”隊(duì)列能控制另一個(gè)緩沖區(qū)。與圖2中狀態(tài)轉(zhuǎn)移不同，應(yīng)用程序現(xiàn)在可能向“to device”隊(duì)列增加另一個(gè)緩沖區(qū)。驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒋司彌_區(qū)指針存進(jìn)一個(gè)隊(duì)列，此時(shí)狀態(tài)為“FFE”，“to device”隊(duì)列為滿，外設(shè)正在傳送一個(gè)緩沖區(qū)，“from device”隊(duì)列為空。使用C數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)機(jī)器的狀態(tài)向量。

使用DMA全局重新加載寄存器來(lái)控制“to device”隊(duì)列，狀態(tài)結(jié)構(gòu)如下所示。

Typedef struct drv_state{

Bool enabled;

Ptr currentBuffer;

Uns currentSize;

Ptr fullBuffer;

Uns fullSize;

LIO_TcallBack callback;

Arg calbackArg;

} LIO_Obj;

第一個(gè)字段“enabled”是一個(gè)布爾值，表示程序的開始或結(jié)束。下面兩個(gè)字段“currentBuffer”“currentSize”控制當(dāng)前傳送緩沖區(qū)的起始地址和尺寸。當(dāng)傳送完畢，它們轉(zhuǎn)移到“from device”隊(duì)列。“fullBuffer”“fullSize”字段實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度為1的“from device”隊(duì)列。Callback()的地址和參數(shù)通過(guò)setCallback（）存儲(chǔ)在狀態(tài)結(jié)構(gòu)中。

驅(qū)程序?qū)γ總€(gè)緩沖區(qū)只接收一個(gè)中斷，而不是每個(gè)采樣一個(gè)斷。發(fā)生中斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)知道緩沖區(qū)傳送完畢，重新加載，DMA不需再重新編程。中斷處理程序首先將currentBuffer內(nèi)容移到fullBuffer中。如果緩沖區(qū)已在“to device”隊(duì)列中，即已使用重新加載的DMA，則新緩沖區(qū)指針和長(zhǎng)度記錄進(jìn)currentBuffer字段中，然后調(diào)用callback()。一旦定義了基本的狀態(tài)機(jī)器，相似硬件的新驅(qū)動(dòng)程序就很容易寫出。