基于DSP的HPI接口的視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
　　
在視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程視頻播放等系統(tǒng)中，通常需要將視頻圖形數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程處理機(jī)上。作為數(shù)字信號(hào)處理專(zhuān)用處理器，DSP雖然在視頻壓縮等方面有很大的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)諸如任務(wù)管理，網(wǎng)絡(luò)通信等功能的實(shí)現(xiàn)較困難。運(yùn)行于通用嵌入式處理器的Linux操作系統(tǒng)，開(kāi)源，可以根據(jù)需要修改內(nèi)核，支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且其任務(wù)調(diào)度機(jī)制性能卓越。綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，嵌入式視頻平臺(tái)可以由DSP完成圖形處理功能，并通過(guò)高速接口把視頻數(shù)據(jù)傳輸給嵌入式微處理器，然后由嵌入式Linux系統(tǒng)完成網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。
　　
目前DSP與微處理器之間的高速通信方式有以下幾種：共享內(nèi)存，此種技術(shù)對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)要求都非常高，同樣效率也最高；通用高速總線(xiàn)接口，如PCI、 USB等，這種類(lèi)型的通信方式采用復(fù)雜的鏈路協(xié)議，軟件設(shè)計(jì)困難；專(zhuān)用接口，如TI公司DSP提供的HPI(Host Port Inter-face)。本文研究了TMS320E)M642的HPI接口，并提出一種在TMS320DM642和AT91RM9200間高速通信的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)HPI接口，TMS320DM642可以高速地將實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸給AT91RM9200；在AT91RM9200上，Lnux驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器映射I／O和物理內(nèi)存重映射，避免了視頻數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序與內(nèi)核之間的二次拷貝，提高了應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)發(fā)包效率。
　　
1 HPI接口硬件設(shè)計(jì)
　　
HPI是一種并行接口，支持32位(HPl32)和16位(HPll6)數(shù)據(jù)總線(xiàn)，通過(guò)HPI的數(shù)據(jù)寄存器(HPIDA、HlPIDF)，ARM可以間接存取DSP的存儲(chǔ)空間。在DSP內(nèi)部，數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)單元到HPI數(shù)據(jù)寄存器的傳輸，是由EDMA(增強(qiáng)DMA)控制器完成的。
　　
HPI控制器的外圍引腳包括HD[0-31]、數(shù)據(jù)總線(xiàn)。HCNTL[O-1]是寄存器訪問(wèn)控制線(xiàn)，HPI控制器有4個(gè)寄存器，通過(guò)這兩根控制線(xiàn)，DSP 可以確定ARM要訪問(wèn)的寄存器。其中，HPIA地址寄存器，存放當(dāng)前訪問(wèn)單元的地址；HPIC為控制寄存器，實(shí)現(xiàn)各種控制命令；HPIDA自增長(zhǎng)數(shù)據(jù)寄存器，每訪問(wèn)一次該寄存器HPIA的內(nèi)容加4；HPIDF固定地址數(shù)據(jù)寄存器，與HPIDA不同之處在于，訪問(wèn)該寄存器后HPIA的內(nèi)容不變。HHWIL，高低位訪問(wèn)控制線(xiàn)，它只用于HPll6模式中，該控制引腳決定寄存器的高或低16位被主機(jī)訪問(wèn)。HR／nW，HPI控制器4個(gè)寄存器的讀寫(xiě)控制線(xiàn)。 HDSl、HDS2和HCS，其中HDSl、HDS2可連接ARM的讀、寫(xiě)控制線(xiàn)，HCS連接ARM的nCS7片選線(xiàn)，三者在DSP內(nèi)部組合形成一個(gè) HSTROBE信號(hào)，當(dāng)HCS低有效并且HDSl或HDS2的讀或?qū)懙陀行?，決定數(shù)據(jù)寄存器(HPIDA、HPIDF)的讀或?qū)懖僮?。HAS，地址鎖存線(xiàn)，當(dāng)主機(jī)的地址線(xiàn)與數(shù)據(jù)線(xiàn)復(fù)用時(shí)，主機(jī)可用該控制線(xiàn)通知。DSP鎖存地址；其他不用該控制線(xiàn)情況時(shí)，應(yīng)接高電平。nHRDY，DSP輸出線(xiàn)，表示HPI 總線(xiàn)是否可訪問(wèn)。nHINT，中斷輸出線(xiàn)，用于中斷ARM。
　　
DSP與ARM接口電路如圖1所示。采用HPI16模式，16根數(shù)據(jù)線(xiàn)通過(guò)16245數(shù)據(jù)隔離器接到ARM數(shù)據(jù)總線(xiàn)的低16位，將HPI的片選空間置于 ARM的nCS7片選線(xiàn)上，HR／nW讀寫(xiě)信號(hào)經(jīng)反向器接到ARM的AB4地址線(xiàn)，HCNTL[O-1]與ARM的地址線(xiàn)AB[2-3]相連，則HPI的 4個(gè)寄存器的讀基地址為0x80000000，寫(xiě)基地址為0x80000010。在ARM端從這兩個(gè)地址開(kāi)始訪問(wèn)，相應(yīng)地對(duì)HPI 4個(gè)寄存器訪問(wèn)。

　　
ARM通過(guò)HPI讀寫(xiě)DSP數(shù)據(jù)空間，須按以下三步順序執(zhí)行：首先，對(duì)HPIC寄存器初始化，主要針對(duì)HPI16模式最低位HWOB位設(shè)置，決定數(shù)據(jù)傳輸格式是按高半字在前(設(shè)置為0)，還是低半字在前(設(shè)置為1)，該位對(duì)于HPI32模式無(wú)效，可不設(shè)置；然后，對(duì)HPIA寄存器初始化，設(shè)置訪問(wèn)單元的地址；最后通過(guò)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器(HPIDA、HPIDF)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作，其中讀寫(xiě)HPIDA寄存器是完成連續(xù)地址單元讀寫(xiě)操作，讀寫(xiě)HPIDF寄存器是完成固定地址單元讀寫(xiě)操作。注意，在ARM讀寫(xiě)的過(guò)程中，如果DSP的nHRDY控制線(xiàn)一直為高，表示HPI數(shù)據(jù)總線(xiàn)未準(zhǔn)備好，ARM的讀寫(xiě)操作必須等待；當(dāng)nHRDY為低后，ARM才繼續(xù)向下執(zhí)行指令。
　　
2 Linux驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
　　
Linux雖然是一種整體式操作系統(tǒng)，但允許在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載或刪除功能模塊。這個(gè)特點(diǎn)方便了驅(qū)動(dòng)功能模塊的開(kāi)發(fā)。Linux系統(tǒng)支持兩種模塊調(diào)用方式：一種是靜態(tài)編譯，直接編譯進(jìn)內(nèi)核，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就運(yùn)行；另外一種是動(dòng)態(tài)加載，在內(nèi)核運(yùn)行時(shí)，用insmod／rmmod實(shí)現(xiàn)模塊的加載和刪除功能。在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，一般采用動(dòng)態(tài)加載方式，避免了系統(tǒng)頻繁重啟。當(dāng)最終發(fā)布產(chǎn)品時(shí)，可以把模塊直接編譯進(jìn)內(nèi)核。這種處理方式比較簡(jiǎn)單，且效率高。

Linux系統(tǒng)中，內(nèi)存地址主要涉及以下幾個(gè)概念：物理地址、內(nèi)核虛擬地址(包括內(nèi)核邏輯地址)和進(jìn)程虛擬地址。在內(nèi)核層，當(dāng)內(nèi)核要訪問(wèn)某內(nèi)存空間時(shí)，用的是內(nèi)核虛擬地址，再由MMU(存儲(chǔ)器管理單元)將內(nèi)核虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，每個(gè)進(jìn)程都有互不干涉的虛擬空間。三者直接映射的關(guān)系如圖2所示，其中內(nèi)核函數(shù)zap_page_range完成去掉物理地址與進(jìn)程虛擬地址映射關(guān)系的功能。

　　
2．1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
　　
在Linux中，設(shè)備也是作為文件來(lái)訪問(wèn)的。VFS(虛擬文件系統(tǒng))為各種不同的文件系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的訪問(wèn)接口，通過(guò)這些接口，應(yīng)用程序可以直接使用open、read和IOctl等系統(tǒng)調(diào)用對(duì)設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)和控制。
　　
本例中，把HPI作為一個(gè)外圍設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉、內(nèi)存映射、視頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理和物理內(nèi)存切換等功能。根據(jù)原理圖，可以確定HPI 四個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)的物理地址，在驅(qū)動(dòng)初始化過(guò)程中，調(diào)用ioremap_uncache函數(shù)把物理地址映射為內(nèi)核虛擬地址，在驅(qū)動(dòng)層通過(guò)內(nèi)核虛擬地址訪問(wèn) HPI的4個(gè)寄存器。
　　
存儲(chǔ)器映射I／O把HPI驅(qū)動(dòng)分配的數(shù)據(jù)空間直接映射到應(yīng)用程序的虛擬地址空間，應(yīng)用程序直接訪問(wèn)該空間，避免了用read／write系統(tǒng)調(diào)用導(dǎo)致的視頻數(shù)據(jù)二次拷貝。在內(nèi)核里，由驅(qū)動(dòng)分配一定的緩存，當(dāng)應(yīng)用程序不能及時(shí)處理DSP發(fā)送過(guò)來(lái)的視頻數(shù)據(jù)，可以緩存這些數(shù)據(jù)；當(dāng)應(yīng)用程序處理完一幀圖像時(shí)，采用Linux的物理內(nèi)存切換技術(shù)，把下一幀數(shù)據(jù)所在的物理地址重映射到應(yīng)用程序的同一虛擬地址，這樣，應(yīng)用程序不用頻繁調(diào)用mmap函數(shù)映射內(nèi)存。