DSP/BIOS中的I/O設(shè)備驅(qū)動編程技術(shù)

摘要：介紹了DSP/BIOS中I/O設(shè)備驅(qū)動程序的編寫，并給出了一個在TMS320C5402 DSK上開發(fā)語音處理程序的實例。

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

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

DSP/BIOS是TI公司推出的一個實時操作系統(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，在軟件或硬件改動時可使相互的影響降為最小。

1 DSP/BISO操作系統(tǒng)簡介

DSP/BIOS實際上是一組可重復(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實時運行時的調(diào)試性能分析，編寫高效的程序。例如，在TMS320C6211上運行printf()函數(shù)需花費4000個周期，而運行LOG_printf()只花費36個周期，可printf()要比LOG_pfrintf（）多花費100倍以上的時間。下面只對與I/O設(shè)備驅(qū)動有關(guān)的模塊作簡要介紹。

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HWI、SWI和TSK三個模塊實現(xiàn)的。HWI（硬件中斷管理模塊）管理硬件中斷，主要負責(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)先級的任務(wù)可以搶斷低優(yōu)先級的任務(wù)。但是SWI任務(wù)是不可阻塞的，所有SWI任務(wù)共享一個堆棧，SWI任務(wù)只能在程序編制時預(yù)先定義好。DSP/BIOS中對任務(wù)的動態(tài)產(chǎn)生和對阻塞狀態(tài)的支持是通過TSK模塊來實現(xiàn)的。TSK也是可以搶斷的，但每個TSK任務(wù)使用獨立的堆棧。

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提供的兩個接口對象，用于支持DSP與外設(shè)之間 數(shù)據(jù)交換。PIP對象帶有一個緩沖隊列，可以執(zhí)行帶緩沖的讀任務(wù)和寫任務(wù)。SIO沒有緩沖隊列，SIO的操作get()和put()在應(yīng)用程序和驅(qū)動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對象支持基于幀的信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)。在多速率系統(tǒng)中需要使用優(yōu)先級線程來統(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)先級線程也是必須的。PIP對象可被SWI或TSK線程使用，而SIO對象只能被TSK使用。

2 低級設(shè)備驅(qū)動（LIO）

LIO（Low Level I/O）是一組基于DSP/BIOS設(shè)計的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LIO函數(shù)控制一個或多個外設(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是傳送到緩沖區(qū)隊列函數(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)控制代碼能在單個驅(qū)動程序中被所有通道共享。

2.1 總體設(shè)計、設(shè)想和命名規(guī)范

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

為了避免由不同驅(qū)動程序使用同一函數(shù)名引起的命名空間沖突，也為了改變驅(qū)動程序而不需再編譯應(yīng)用程序代碼，可以通過函數(shù)表訪問驅(qū)動程序函數(shù)。用這種方式，僅需要為每個驅(qū)動程序定義一個外部符號。這種符號有其命名規(guī)范。此命名規(guī)范通過接線板、在片外設(shè)、LIO接口等來區(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)動程序，驅(qū)動程序函數(shù)表名是DSK5402_DMA_AD50_TI_ILIO。

設(shè)備驅(qū)動程序支持的各通道半雙工（輸入或輸出）通道。每個函數(shù)對應(yīng)一個通道變量。一個能執(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，可通過兩個半雙工通道（一個輸入，一個輸出）來訪問。一個驅(qū)動程序支持多少個物理設(shè)備和通道依具體實現(xiàn)而實。一般一個驅(qū)動程序應(yīng)能控制一個物理設(shè)備，此設(shè)備可能有多個通道。通道號與物理設(shè)備通道的映射執(zhí)行時確定。通道號應(yīng)約定從0開始。對I/O設(shè)備，一般約定偶數(shù)號為輸入，奇數(shù)號為輸出。

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)用來實現(xiàn)設(shè)備的啟動、關(guān)閉和控制。其初始函數(shù)為驅(qū)動程序保存資源（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 隊列管理

假定每個設(shè)備至少有一個用來傳送數(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列。圖1是一個有三個存儲單元的LIO驅(qū)動程序，驅(qū)動程序中有：由外設(shè)填滿或清空的緩沖區(qū)“todevice”（到設(shè)備）隊列，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”（來自設(shè)備）隊列和當(dāng)前傳送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。在虛線框里的認為是在驅(qū)動程序里面。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源寄存器或目標寄存器，在圖1中畫在“外設(shè)”中。含硬件隊列（如DMA重新如載寄存器）的設(shè)備也會含一個或多個存儲單元用業(yè)存儲指針為以后傳送用，此隊列為“to device”隊列。能包含緩沖區(qū)指針的第三個存儲單元是“from device”隊列，在驅(qū)動程序中為一變量。當(dāng)設(shè)備準備傳送緩沖區(qū)時，緩沖區(qū)從輸入隊列傳送到外設(shè)寄存器。這些緩沖區(qū)然后移到輸出隊列以完成傳送，作為對CPU中斷的響應(yīng)。

PutBuf()將緩沖區(qū)從應(yīng)用程序傳送到驅(qū)動程序的輸入隊列。GetBuf()從輸出隊列得到緩沖區(qū)。IsEmpty()和IsFull()返回輸入隊列、輸出隊列的狀態(tài)。如果輸入隊列滿，因為無空間裝新緩沖區(qū)，調(diào)用putBuf()會返回錯誤代碼。若IsFull()返回false，接下來可調(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()也可能會成功。

2.2.3 信令

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

3 LIO驅(qū)動程序例子

音頻處理如語音壓縮、呼叫過程音調(diào)檢測等，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)動程序響應(yīng)應(yīng)用程序調(diào)用和設(shè)備中斷時，采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)跟蹤驅(qū)動程序的狀態(tài)。有效狀態(tài)是設(shè)備驅(qū)動程序緩沖區(qū)隊列的狀態(tài)，如圖1所示。

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

每個隊列可以是空（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”隊列中。驅(qū)動程序立即將緩沖區(qū)放進外設(shè)，轉(zhuǎn)移到狀態(tài)“EFE”。當(dāng)傳送完畢，外設(shè)向驅(qū)動程序發(fā)中斷信號，然后驅(qū)動中斷處理程序?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)動程序的“from device”隊列重新得到緩沖區(qū)，驅(qū)動程序返回起始狀態(tài)。

如果驅(qū)動程序支持硬件排隊，則當(dāng)一個緩沖區(qū)正由外設(shè)傳送時，“to device”隊列能控制另一個緩沖區(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”隊列增加另一個緩沖區(qū)。驅(qū)動程序?qū)⒋司彌_區(qū)指針存進一個隊列，此時狀態(tài)為“FFE”，“to device”隊列為滿，外設(shè)正在傳送一個緩沖區(qū)，“from device”隊列為空。使用C數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)這種狀態(tài)機器的狀態(tài)向量。

使用DMA全局重新加載寄存器來控制“to device”隊列，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;

第一個字段“enabled”是一個布爾值，表示程序的開始或結(jié)束。下面兩個字段“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”隊列?！癴ullBuffer”“fullSize”字段實現(xiàn)長度為1的“from device”隊列。Callback()的地址和參數(shù)通過setCallback（）存儲在狀態(tài)結(jié)構(gòu)中。

驅(qū)程序?qū)γ總€緩沖區(qū)只接收一個中斷，而不是每個采樣一個斷。發(fā)生中斷時，驅(qū)動程序已經(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”隊列中，即已使用重新加載的DMA，則新緩沖區(qū)指針和長度記錄進currentBuffer字段中，然后調(diào)用callback()。一旦定義了基本的狀態(tài)機器，相似硬件的新驅(qū)動程序就很容易寫出。