快速實現(xiàn)ARM和DSP的通信和協(xié)同工作方案

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)是現(xiàn)代智能機器人設(shè)計中必不可少的一個部分，它需要采用DSP并根據(jù)某種算法對攝入的圖像進行處理和分析，它也需要采用ARM處理器對DSP進行協(xié)同管理和控制工作，目前開發(fā)工程師碰到的一個最大設(shè)計挑戰(zhàn)是：如何最高效率地實現(xiàn)ARM和DSP或協(xié)處理器的通信和協(xié)同工作？本文將詳細為您介紹解決這一技術(shù)挑戰(zhàn)的解決方案和實現(xiàn)指南。

德州儀器（TI）的第一顆達芬奇（DaVinci）芯片（處理器）DM6?46已經(jīng)問世快三年了。繼DM6?4x之后，TI又陸續(xù)推出了DM6?3x、DM35x、DM6?67、OMAP353x等一系列 ARM＋DSP或ARM＋視頻協(xié)處理器的多媒體處理器平臺。很多有很強DSP開發(fā)經(jīng)驗或ARM開發(fā)經(jīng)驗的工程師都轉(zhuǎn)到達芬奇或通用 OMAP（OMAP353x）平臺上開發(fā)視頻監(jiān)控、視頻會議及便攜式多媒體終端等產(chǎn)品。大家都面臨著同一個問題，那就是如何實現(xiàn)ARM和DSP或協(xié)處理器的通信和協(xié)同工作？TI的數(shù)字視頻軟件開發(fā)包（DVSDK）提供了Codec Engine這樣一個軟件模塊來實現(xiàn)ARM和DSP或協(xié)處理器的協(xié)同工作。有很多工程師反饋這個軟件模塊非常好用，節(jié)省了很多開發(fā)時間，也有工程師認為 TI提供的資料太多，不知如何快速上手。本文將從一個第一次接觸Codec Engine的工程師角度出發(fā)，歸納TI提供的相關(guān)資源（文檔，例程和網(wǎng)絡(luò)資源），并介紹相關(guān)開發(fā)調(diào)試方法幫您快速入門Codec Engine。

1．Codec Engine概述

如圖1所示，Codec Engine是連接ARM和DSP或協(xié)處理器的橋梁，是介于應(yīng)用層（ARM側(cè)的應(yīng)用程序）和信號處理層（DSP側(cè)的算法）之間的軟件模塊。ARM應(yīng)用程序調(diào)用Codec Engine的VISA （Video, Image, Speech, Audio）API，如圖1中VIDENC_process(a, b, c )。Codec Engine的stub （ARM側(cè)）會把參數(shù)a, b, c以及要調(diào)用DSP側(cè)process這個信息打包，通過消息隊列（message queue）傳遞到DSP。Codec Engine的skeleton（DSP側(cè)）會解開這個參數(shù)包，把參數(shù)a, b, c轉(zhuǎn)換成DSP側(cè)對應(yīng)的參數(shù)x, y, z（比如ARM側(cè)傳遞的是虛擬地址，而DSP只能認物理地址），DSP側(cè)的server（優(yōu)先級較低，負責(zé)和ARM通信的任務(wù)）會根據(jù)process這一信息創(chuàng)建一個DSP側(cè)的process(x, y, x)任務(wù)最終實現(xiàn)VIDENC_process(a, b, c)的操作。

圖1 達芬奇軟件結(jié)構(gòu)框圖

2. Codec Engine入門第一步

有些初學(xué)者認為Codec Engine文件包結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難找到自己想找的文檔或例子。其實在Codec Engine文件包的根目下有一個發(fā)布說明文檔，比如Codec Engine 1.20 根目錄下的release_notes_codec_engine_1_20.html。這個文檔就是你了解Codec Engine的開始，里面有關(guān)于該版本Codec Engine的介紹、相關(guān)文檔資料的鏈接、新的功能、支持哪些芯片、已知的bug、修正了哪些bug及例子等等的具體說明。具體如圖2藍色字體所示。瀏覽該文檔后，初學(xué)者至少可以知道哪里可以找到自己想要的文檔或例子。舉例來說，如果想找相關(guān)的文檔，點擊 Documentation就可以看到這個Codec Engine文件包里的文檔的鏈接。

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圖2 Codec Engine 1.20 Release Notes截圖

3．Codec Engine入門第二步

點擊Codec Engine的發(fā)布說明文檔 （如圖2）的Validation Info，我們可以知道Codec Engine 1.20需要和以下軟件模塊和工具配合使用：

* Framework Components 1.20.02
* xDAIS 5.21
* XDC Tools 2.93.01
* DSP/BIOS Link 1.40.05, configured for the DM6?46 EVM
* C6x Code Generation Tools version 6.0.8
* DSP/BIOS 5.31.05
* MontaVista Linux v4.0
* Red Hat Enterprise Linux 3 (SMP)

因此，我們需要在該Codec Engine安裝的DVSDK文件包下面檢查上面提到的軟件模塊和工具是否安裝，版本是否正確。否則，可能會編譯不過 Codec Engine的例子。那么，什么是 Framework Components，什么是xDAIS，什么又是XDC Tools呢？你可以分別到它們的根目錄下瀏覽它們各自的發(fā)布說明文檔，做一個總體的了解。

這里我們簡單介紹一下，可以幫助大家盡快找到和自己相關(guān)的重點及資源。

1）Framework Components是TI提供的一個軟件模塊，負責(zé)DSP側(cè)的memory 和DMA資源管理。因此，DSP算法工程師需要了解這個軟件模塊。http://tiexpressdsp.com/wiki /index.php?title=Framework_Components_FAQ

2）xDAIS 是一個標準，它定義了TI DSP算法接口的標準。這樣大大提高了DSP算法軟件的通用性。DSP算法工程師要寫出能被ARM通過Codec Engine調(diào)用的算法，必須保證自己的算法接口符合這個標準。因此，DSP算法工程師也必須了解這個軟件模塊。 http://tiexpressdsp.com/wiki/index.php?title=Category:XDAIS

3）XDC Tools和gmake類似，是一個工具。XDC根據(jù)用戶定義的一套build指令，通過調(diào)用用戶指定的ARM 工具鏈（Tool Chain）和DSP編譯器（C6x Code Generation Tools ）build出ARM側(cè)和DSP側(cè)的可執(zhí)行文件?？梢韵炔槐丶毦窟@個工具，只需通過編Codec Engine的例子，知道如何設(shè)置build指令就可以了。

4）DSP/BIOS Link是實現(xiàn)ARM和DSP之間通信的底層軟件，Codec Engine就是建立在這個底層軟件之上。在修改系統(tǒng)內(nèi)存分配（缺省是256MB的DDR2）時，DSP/BIOS Link 1.38版本的用戶需要修改DSP/BIOS Link的配置文件，并重新build DSP/BIOS Link。而DSP/BIOS Link 1.40版本以后的用戶就無需此操作。http://tiexpressdsp.com/wiki /index.php?title=DSPLink_Overview

http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=Changing_the_DVEVM_memory_map

5）C6x Code Generation Tools是Linux環(huán)境下C6000系列DSP的編譯器。我們用CCS開發(fā)DSP時都是用的Windows環(huán)境下的DSP編譯器。

6）DSP/BIOS 是TI 免費提供的DSP實時操作系統(tǒng)。和上面C6x Code Generation Tools一樣，這里的DSP/BIOS也是Linux環(huán)境下的版本。DSP系統(tǒng)工程師需要了解這個操作系統(tǒng)。http: //tiexpressdsp.com/wiki/index.php?title=CategorySPBIOS

4. Codec Engine入門第三步

開發(fā)ARM＋DSP平臺需要三類工程師：ARM應(yīng)用程序工程師、DSP算法工程師和DSP系統(tǒng)工程師。而開發(fā)ARM＋協(xié)處理器平臺只需要ARM應(yīng)用程序工程師。下面就讓我們針對這三類工程師做分別介紹。如果您使用的是TI或TI第三方的編解碼算法，就不需要關(guān)注DSP算法工程師的部分。如果使用ARM＋協(xié)處理器平臺，就只需關(guān)心ARM應(yīng)用工程師的部分。

4．1 DSP算法工程師應(yīng)該如何著手？

這里我們不討論如何開發(fā)DSP算法，只討論DSP算法工程師怎樣讓自己的算法可以被ARM通過Codec Engine調(diào)用。（參考http://www.ti.com/litv/pdf/sprued6c，這個文檔會講到codec package及相關(guān)的.xs和.xdc文件，Codec Engine1.20及以上版本的用戶可以先不細究這些內(nèi)容，后面會介紹工具幫您自動生成這些文件。）

1）熟悉xDAIS和xDM標準。

xDM 只是xDAIS的擴展，因此，需要先了解xDAIS。在xDAIS 軟件包根目錄下的發(fā)布說明文檔里，可以很快找到關(guān)于xDAIS和xDM的文檔鏈接。http://focus.ti.com/lit/ug /spruec8b/spruec8b.pdf

在xDAIS安裝路徑下的examples/ti/xdais/dm/examples /g711有一個g711_sun_internal.c，這個算法不符合xDAIS標準。在同一個路徑下的g711dec_sun_ialg.c (decoder)和g711enc_sun_ialg.c (encoder)是封裝成符合xDM標準之后的編解碼算法。可以通過這個例子學(xué)習(xí)和了解如何把自己算法封裝成符合xDM標準的算法。

xDAIS 6.10及其以后的版本，包含了一個工具QualiTI，可以檢查您的DSP算法是否滿足xDAIS標準（但不會檢查是否滿足xDM）。具體請參考：http://tiexpressdsp.com/wiki /index.php?title=QualiTI_XDAIS_Compliance_Tool

2）熟悉 Framework Components。

Framework Components主要包括兩個模塊DSKT2和DMAN3，它們分別負責(zé)DSP側(cè)的memory 和EDMA資源管理。DSP算法使用的memory必須是先向DSKT2提出申請并由DSKT2分配得到的。同樣DSP算法使用的EDMA通道也是向 DMAN3申請并由DMAN3分配得到的。而關(guān)于QDMA的操作，是通過ACPY3這個模塊實現(xiàn)的。這樣的好處是很容易對DSP側(cè)不同的算法做整合，不同的算法之間不用擔心資源（Memory和EDMA）的沖突問題。

在Framework Components 軟件包根目錄下的發(fā)布說明文檔里，可以很快找到相關(guān)文檔的鏈接。在Framework Components安裝路徑下packagestisdofcdman3examples有一個Fast Copy的例子，可以幫您理解如何基于Framework Components的ACPY3模塊實現(xiàn)QDMA的操作。

另外，有些用戶 DSP側(cè)的算法比較簡單，在確保不和ARM側(cè)EDMA資源沖突的前提下在算法里直接操作EDMA不使用DMAN3也是可以的。這樣做的弊端是和其它算法做整合時會遇到資源使用沖突的問題。

4．2 DSP系統(tǒng)工程師應(yīng)該如何著手？

通常DSP算法工程師都會把自己的符合xDM標準算法編成一個.lib文件（或 .a6?P），供DSP系統(tǒng)工程師調(diào)用。DSP系統(tǒng)工程師最終build出一個DSP Server（也就是DSP的可執(zhí)行程序.x6?P，和CCS下編譯生成的.out類似）。（參考http://focus.ti.com/lit/ug /sprued5b/sprued5b.pdf，這個文檔會講到.xdc和.bld等文件，Codec Engine1.20及以上版本的用戶可以先不細究，后面介紹工具幫您自動生成這些文件。）

1）如果現(xiàn)在有一個.lib文件（或 .a6?P）（算法必須符合xDM標準），如何生成自己的DSP Server呢？下面URL有詳細的關(guān)于RTSC Codec and Server Package Wizard工具介紹，教您如何把一個.lib文件封裝成RTSC Codec 包和RTSC DSP Server包，并最終build出DSP的可執(zhí)行程序.x6?P。http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=RTSC_Codec_And_Server_Package_Wizards http://wiki.davincidsp.com/index ... work_with_the_DVSDK

2）如果您使用的是Codec Engine 1.20以前的版本，請參考Codec Engine安裝路徑下examples/servers/video_copy這個例子。這時就需要搞清楚sprued6c.pdf和 sprued5b.pdf中提到的.xdc和.xs等文件的功能，也可以在video_copy中的相關(guān)文件的基礎(chǔ)上修改手動創(chuàng)建出自己的RTSC Codec包和RTSC DSP server包。

3）創(chuàng)建好RTSC Codec 和RTSC DSP Server包之后，就是如何build出.x6?P的問題了。點擊圖2所示的Examples，就可以找到build Codec Engine例子的說明文檔的鏈接。按照這個文檔做一遍后，就可以對如何build Codec Server有一個清楚的了解。其中關(guān)鍵是修改user.bld和xdcpaths.mak文件，設(shè)置Codec Engine依賴的其它軟件模塊和工具的正確路徑。

4）如果自己的硬件DDR2大小和例子中的256Mbytes不一致，需要修改DSP的.tcf文件和其他配置。還有些工程師不清楚如何分配memory及如何決定具體段，如：DDRALGHEAP和DDR的大小，以及如何配置./loadmodules里的參數(shù)都請參考: http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Changing_the_DVEVM_memory_map。

4．3 ARM應(yīng)用程序工程師應(yīng)該如何著手？

ARM應(yīng)用工程師需要調(diào)用Codec Engine的VISA API，最終編出ARM側(cè)的可執(zhí)行程序，因此，必須根據(jù)自己的應(yīng)用學(xué)習(xí)相關(guān)的VISA API、如何創(chuàng)建應(yīng)用側(cè)Codec Engine的package及配置文件。（參考http://focus.ti.com/lit/ug/sprue67d/sprue67d.pdf，這個文檔也涉及到如何調(diào)試Codec Engine的內(nèi)容）。

1）了解ARM應(yīng)用程序調(diào)用Codec Engine的流程、VISA API和其他Codec Engine API?？梢詤⒖糃odec Engine安裝路徑下examples/apps/video_copy的例子（較簡單）或者DVSDK安裝路徑下demos里的encode /decode/encodedecode例子（較復(fù)雜）。http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Configuring_Codec_Engine_in_Arm_apps_with_createFromServer

2）了解ceapp.cfg文件。sprue67d.pdf有相關(guān)介紹，可以先讀懂examples/apps /video_copy/ceapp.cfg。

3）用4.2 3)中提到的方法學(xué)習(xí)如何build ARM側(cè)的可執(zhí)行程序。

4）如何在多線程中調(diào)用codec engine，參考：http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Multiple_Threads_using_Codec_Engine_Handle

5）還可以參考以下三個文檔了解更多TI demo的ARM應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)、線程調(diào)度等具體的問題。
EncodeDecode Demo for the DaVinci DVEVM/DVSDK 1.2 (Rev. A) (spraah0a.htm, 8 KB) 27 Jun 2007 Abstract
Encode Demo for the DaVinci DVEVM/DVSDK 1.2 (Rev. A) (spraa96a.htm, 8 KB) 27 Jun 2007 Abstract
Decode Demo for the DaVinci DVEVM/DVSDK 1.2 (Rev. A) (spraag9a.htm, 8 KB) 27 Jun 2007 Abstract

5．使用中常碰到的問題

1）如果遇到問題可以先訪問http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Codec_Engine_FAQ。

2）有些工程師沒有DSP開發(fā)經(jīng)驗，或者暫時沒有仿真器通過JTAG調(diào)試DSP。可以參考下面網(wǎng)頁的內(nèi)容，先做一個“Hello World”的例程對ARM和DSP如何協(xié)同工作有個感性認識。http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=How_to_build_an_ARM/DSP_Hello_World_program_on_the_DaVinci_EVM

3）很多工程師都是參考video_copy的例子，在它的基礎(chǔ)上把自己的算法加進去。因為有源代碼，這樣比較容易。但肯定要根據(jù)自己算法的需要修改ARM和DSP之間傳遞的buffer和參數(shù)，重要的是先保證ARM側(cè)的應(yīng)用程序可以把buffer和參數(shù)正確傳遞到DSP，DSP可以把處理之后的buffer正確的傳到ARM側(cè)的應(yīng)用程序。把這個通路打通之后，就比較容易定位問題是出在ARM應(yīng)用程序還是DSP側(cè)的算法。另外，參考 video_copy例子時注意代碼的注釋，以便清楚哪一句代碼可以刪掉哪一句必須要修改或保留。如果要擴展xDM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)請參考：http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Extending_data_structures_in_xDM。

4）Codec Engine DSP側(cè)會涉及到Cache一致性的問題。請參考：http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Cache_Management

5）關(guān)于Codec Engine系統(tǒng)調(diào)試，有以下幾種方法：

A.打開Codec Engine trace，通過打印信息看問題出在什么地方。比如engine_open失敗，DSP側(cè)不能創(chuàng)建codec 等等。
a)Codec Engine 2.0及以上版本，請參考：http://wiki.davincidsp.com/index ... g_Feature_in_CE_2.0
b)Codec Engine 1.x版本，請參考：http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=TraceUtil

B.ARM 應(yīng)用程序跑起來后，用仿真器連上CCS調(diào)試DSP側(cè)程序，參考：http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Debugging_the_DSP_side_of_a_CE_application_on_DaVinci_using_CCS

C.用Soc Analyzer可以做系統(tǒng)調(diào)試之外，還可以統(tǒng)計具體函數(shù)運行（ARM和DSP側(cè)）時間（benchmark）。請參考：http://tiexpressdsp.com/wiki/index.php?title=SoC_Analyzer

6）因為Codec Engine是介于ARM 應(yīng)用程序和編解碼算法中間的軟件模塊，很多工程師非常想知道它的開銷(overhead)，請參考：http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=Codec_Engine_Overhead

7）如何在Linux環(huán)境下編DSP的匯編或線性匯編程序？

在Codec Engine安裝路徑下/packages/config.bld文件里

var C6?P = xdc.useModule(‘ti.targets.C6?P’);

之后添加：

C6?P.extensions[“.sa”] = {
suf: “.sa”, typ: “asm:-fl”
}

或

C6?P.extensions[“.asm”] = {
suf: “.asm”, typ: “asm:-fa”
}

8）DSP側(cè)如何統(tǒng)計具體函數(shù)運行時間？

TI DSPC6?x+內(nèi)核有一個6?位的硬件定時器（Time Stamp Counter），它的頻率和CPU頻率一致。最簡單的辦法是使用TSC的低32位TSCL。注意在DM6?4x中，TSCH用于ARM。

#include
void main (){
…
TSCL=0;
…
t1=TSCL;
my_code_to_benchmark();
t2=TSCL;
printf(“# cycles == %dn”, (t2-t1));
}

6．結(jié)語

以上針對如何上手TI的Codec Engine做了簡單的歸納，還有很多具體細節(jié)的問題沒有涉及到。還請各位工程師從自己要用的軟件模塊發(fā)布說明文檔開始找到相關(guān)的文檔并研究。經(jīng)常訪問 TI的網(wǎng)頁，http://wiki.davincidsp.com和http://tiexpressdsp.com/wiki找到最新的信息和資料。也非常歡迎您在wiki上提問。