基于DSP的BIOS中IO設備驅動編程技術

近年來,隨著信息技術的飛速發(fā)展,DSP在航空、航天、雷達、通信、消費類電子設備等方面都得到了廣泛應用;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。應用DSP/BIOS可以大大簡化DSP應用程序的開發(fā)和調試。與外部設備的I/O接口是DSP應用開發(fā)中不可缺少的重要部分?；贒SP/BIOS的I/O設備驅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調用的系統(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設備驅動有關的模塊作簡要介紹。

1.1 任務調度模塊（HWI/SWI/TSK）

在DSP/BIOS中,任務的調度是通過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DSP與外設的交互,從外設中讀寫數(shù)據(jù)。由于硬件中斷直接與硬件打交道,對應的中斷服務程序ISR應盡可能短小精焊。HWI不引起任務調度,它在處理完數(shù)據(jù)的輸入輸出后調用SWI_post()來調度相應的軟件中斷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（任務管理模塊）。SWI是DSP/BIOS任務調度的核心,SWI任務是搶斷式的,即高優(yōu)先級的任務可以搶斷低優(yōu)先級的任務。但是SWI任務是不可阻塞的,所有SWI任務共享一個堆棧,SWI任務只能在程序編制時預先定義好。DSP/BIOS中對任務的動態(tài)產生和對阻塞狀態(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)行帶緩沖的讀任務和寫任務。SIO沒有緩沖隊列,SIO的操作get()和put()在應用程序和驅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 低級設備驅動（LIO）

LIO（Low Level I/O）是一組基于DSP/BIOS設計的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。應用程序可以通過LIO函數(shù)控制一個或多個外設通道。

表1 LIO API函數(shù)

LIO函數(shù)不考慮數(shù)據(jù)的轉送方向,也就是說僅執(zhí)行輸出設備、僅執(zhí)行輸入設備和能執(zhí)行輸入、輸出的設備執(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動程序中被所有通道共享。

2.1 總體設計、設想和命名規(guī)范

所有的驅動程序函數(shù)都不能設置成全局中斷。驅動程序應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所能觸發(fā)的中斷所對應使能標記的狀態(tài)。這樣可以阻止一個驅動程序與其它驅動程序或應用程序爭奪CPU資源。

為了避免由不同驅動程序使用同一函數(shù)名引起的命名空間沖突,也為了改變驅動程序而不需再編譯應用程序代碼,可以通過函數(shù)表訪問驅動程序函數(shù)。用這種方式,僅需要為每個驅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、LIO接口等來區(qū)分。如包含應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的驅動程序,驅動程序函數(shù)表名是DSK5402_DMA_AD50_TI_ILIO。

設備驅動程序支持的各通道半雙工（輸入或輸出）通道。每個函數(shù)對應一個通道變量。一個能執(zhí)行輸入和輸出的物理設備,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。一個驅動程序支持多少個物理設備和通道依具體實現(xiàn)而實。一般一個驅動程序應能控制一個物理設備,此設備可能有多個通道。通道號與物理設備通道的映射執(zhí)行時確定。通道號應約定從0開始。對I/O設備,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)設備的啟動、關閉和控制。其初始函數(shù)為驅動程序保存資源（物理外設和內存）。它使用結構指針作為可選變量,此結構是一種設備的特殊變量結構。

2.2.2 隊列管理

假定每個設備至少有一個用來傳送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。許多設備（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驅動程序,驅動程序中有：由外設填滿或清空的緩沖區(qū)“todevice”（到設備）隊列,將傳送的緩沖區(qū)返回到應用程序的緩沖區(qū)管理程序的“from device”（來自設備）隊列和當前傳送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。在虛線框里的認為是在驅動程序里面。當前傳送數(shù)據(jù)的緩沖一般由外設寄存器控制,如DMA源寄存器或目標寄存器,在圖1中畫在“外設”中。含硬件隊列（如DMA重新如載寄存器）的設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,在驅動程序中為一變量。當設備準備傳送緩沖區(qū)時,緩沖區(qū)從輸入隊列傳送到外設寄存器。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。

PutBuf()將緩沖區(qū)從應用程序傳送到驅動程序的輸入隊列。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),調用putBuf()會返回錯誤代碼。若IsFull()返回false,接下來可調用putBuf()。如果IsFull()返回true,但若在IsFull()返回true和調用putBuf()之間完成傳送,則調用putBuf()也可能會成功。

2.2.3 信令

如圖1所示,當傳送結束一般會觸發(fā)CPU中斷。此中斷會使應用程序將傳送的緩沖區(qū)轉移到輸出隊列,然后調用calback()傳到驅動程序。Callback()應向應用程序發(fā)信號告知傳送完畢。

3 LIO驅動程序例子

音頻處理如語音壓縮、呼叫過程音調檢測等,是DSP的一般應用。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。

當驅動程序響應應用程序調用和設備中斷時,采用數(shù)據(jù)結構跟蹤驅動程序的狀態(tài)。有效狀態(tài)是設備驅動程序緩沖區(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。圓圈中單詞表示設備驅動程序緩沖區(qū)隊列的狀態(tài)。第一個單詞是“to device”隊列,第二個表示外設占用緩沖區(qū)指針,第三個是“from device”隊列,第二個表示外設占用緩沖區(qū)指針,第三個是“from device”隊列。E表示空,F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）。應用程序調用PutBuf()將緩沖區(qū)放到“to device”隊列中。驅動程序立即將緩沖區(qū)放進外設,轉移到狀態(tài)“EFE”。當傳送完畢,外設向驅動程序發(fā)中斷信號,然后驅動中斷處理程序將緩沖區(qū)從外設寄存器轉移到“from device”隊列,轉移到狀態(tài)“EEF”,接著調用應用程序的回調函數(shù)?；卣{函數(shù)調用GetBuf（）從驅動程序的“from device”隊列重新得到緩沖區(qū),驅動程序返回起始狀態(tài)。

如果驅動程序支持硬件排隊,則當一個緩沖區(qū)正由外設傳送時,“to device”隊列能控制另一個緩沖區(qū)。與圖2中狀態(tài)轉移不同,應用程序現(xiàn)在可能向“to device”隊列增加另一個緩沖區(qū)。驅動程序將此緩沖區(qū)指針存進一個隊列,此時狀態(tài)為“FFE”,“to device”隊列為滿,外設正在傳送一個緩沖區(qū),“from device”隊列為空。使用C數(shù)據(jù)結構實現(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)結構如下所示。

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束。下面兩個字段“currentBuffer”“currentSize”控制當前傳送緩沖區(qū)的起始地址和尺寸。當傳送完畢,它們轉移到“from device”隊列。“fullBuffer”“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)結構中。

驅程序對每個緩沖區(qū)只接收一個中斷,而不是每個采樣一個斷。發(fā)生中斷時,驅動程序已經知道緩沖區(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,然后調用callback()。一旦定義了基本的狀態(tài)機器,相似硬件的新驅動程序就很容易寫出。