基于DSP的HPI接口的视频数据传输系统设计

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引 言
　　
在视频监控、远程视频播放等系统中，通常需要将视频图形数据通过网络传输到远程处理机上。作为数字信号处理专用处理器，DSP虽然在视频压缩等方面有很大的优势，但对诸如任务管理，网络通信等功能的实现较困难。运行于通用嵌入式处理器的Linux操作系统，开源，可以根据需要修改内核，支持各种网络协议，并且其任务调度机制性能卓越。综合二者的优点，嵌入式视频平台可以由DSP完成图形处理功能，并通过高速接口把视频数据传输给嵌入式微处理器，然后由嵌入式Linux系统完成网络传输功能。
　　
目前DSP与微处理器之间的高速通信方式有以下几种：共享内存，此种技术对软硬件的设计要求都非常高，同样效率也最高；通用高速总线接口，如PCI、 USB等，这种类型的通信方式采用复杂的链路协议，软件设计困难；专用接口，如TI公司DSP提供的HPI(Host Port Inter-face)。本文研究了TMS320E)M642的HPI接口，并提出一种在TMS320DM642和AT91RM9200间高速通信的软硬件实现方案。通过HPI接口，TMS320DM642可以高速地将实时视频数据传输给AT91RM9200；在AT91RM9200上，Lnux驱动实现存储器映射I／O和物理内存重映射，避免了视频数据在应用程序与内核之间的二次拷贝，提高了应用程序的网络发包效率。
　　
1 HPI接口硬件设计
　　
HPI是一种并行接口，支持32位(HPl32)和16位(HPll6)数据总线，通过HPI的数据寄存器(HPIDA、HlPIDF)，ARM可以间接存取DSP的存储空间。在DSP内部，数据从存储单元到HPI数据寄存器的传输，是由EDMA(增强DMA)控制器完成的。
　　
HPI控制器的外围引脚包括HD[0-31]、数据总线。HCNTL[O-1]是寄存器访问控制线，HPI控制器有4个寄存器，通过这两根控制线，DSP 可以确定ARM要访问的寄存器。其中，HPIA地址寄存器，存放当前访问单元的地址；HPIC为控制寄存器，实现各种控制命令；HPIDA自增长数据寄存器，每访问一次该寄存器HPIA的内容加4；HPIDF固定地址数据寄存器，与HPIDA不同之处在于，访问该寄存器后HPIA的内容不变。HHWIL，高低位访问控制线，它只用于HPll6模式中，该控制引脚决定寄存器的高或低16位被主机访问。HR／nW，HPI控制器4个寄存器的读写控制线。 HDSl、HDS2和HCS，其中HDSl、HDS2可连接ARM的读、写控制线，HCS连接ARM的nCS7片选线，三者在DSP内部组合形成一个 HSTROBE信号，当HCS低有效并且HDSl或HDS2的读或写低有效，决定数据寄存器(HPIDA、HPIDF)的读或写操作。HAS，地址锁存线，当主机的地址线与数据线复用时，主机可用该控制线通知。DSP锁存地址；其他不用该控制线情况时，应接高电平。nHRDY，DSP输出线，表示HPI 总线是否可访问。nHINT，中断输出线，用于中断ARM。
　　
DSP与ARM接口电路如图1所示。采用HPI16模式，16根数据线通过16245数据隔离器接到ARM数据总线的低16位，将HPI的片选空间置于 ARM的nCS7片选线上，HR／nW读写信号经反向器接到ARM的AB4地址线，HCNTL[O-1]与ARM的地址线AB[2-3]相连，则HPI的 4个寄存器的读基地址为0x80000000，写基地址为0x80000010。在ARM端从这两个地址开始访问，相应地对HPI 4个寄存器访问。

　　
ARM通过HPI读写DSP数据空间，须按以下三步顺序执行：首先，对HPIC寄存器初始化，主要针对HPI16模式最低位HWOB位设置，决定数据传输格式是按高半字在前(设置为0)，还是低半字在前(设置为1)，该位对于HPI32模式无效，可不设置；然后，对HPIA寄存器初始化，设置访问单元的地址；最后通过读写数据寄存器(HPIDA、HPIDF)实现数据读写操作，其中读写HPIDA寄存器是完成连续地址单元读写操作，读写HPIDF寄存器是完成固定地址单元读写操作。注意，在ARM读写的过程中，如果DSP的nHRDY控制线一直为高，表示HPI数据总线未准备好，ARM的读写操作必须等待；当nHRDY为低后，ARM才继续向下执行指令。
　　
2 Linux驱动设计
　　
Linux虽然是一种整体式操作系统，但允许在运行时动态加载或删除功能模块。这个特点方便了驱动功能模块的开发。Linux系统支持两种模块调用方式：一种是静态编译，直接编译进内核，在系统启动时就运行；另外一种是动态加载，在内核运行时，用insmod／rmmod实现模块的加载和删除功能。在嵌入式系统开发中，一般采用动态加载方式，避免了系统频繁重启。当最终发布产品时，可以把模块直接编译进内核。这种处理方式比较简单，且效率高。
Linux系统中，内存地址主要涉及以下几个概念：物理地址、内核虚拟地址(包括内核逻辑地址)和进程虚拟地址。在内核层，当内核要访问某内存空间时，用的是内核虚拟地址，再由MMU(存储器管理单元)将内核虚拟地址转换为物理地址。采用虚拟内存技术，每个进程都有互不干涉的虚拟空间。三者直接映射的关系如图2所示，其中内核函数zap_page_range完成去掉物理地址与进程虚拟地址映射关系的功能。

　　
2．1 驱动结构
　　
在Linux中，设备也是作为文件来访问的。VFS(虚拟文件系统)为各种不同的文件系统提供了统一的访问接口，通过这些接口，应用程序可以直接使用open、read和IOctl等系统调用对设备进行访问和控制。
　　
本例中，把HPI作为一个外围设备，其驱动主要实现对设备的打开、关闭、内存映射、视频数据缓冲区管理和物理内存切换等功能。根据原理图，可以确定HPI 四个寄存器对应的物理地址，在驱动初始化过程中，调用ioremap_uncache函数把物理地址映射为内核虚拟地址，在驱动层通过内核虚拟地址访问 HPI的4个寄存器。
　　
存储器映射I／O把HPI驱动分配的数据空间直接映射到应用程序的虚拟地址空间，应用程序直接访问该空间，避免了用read／write系统调用导致的视频数据二次拷贝。在内核里，由驱动分配一定的缓存，当应用程序不能及时处理DSP发送过来的视频数据，可以缓存这些数据；当应用程序处理完一帧图像时，采用Linux的物理内存切换技术，把下一帧数据所在的物理地址重映射到应用程序的同一虚拟地址，这样，应用程序不用频繁调用mmap函数映射内存。


　　
2．2 存储器映射I／O
　　
一般情况下，当应用程序用read／write读写设备数据时，该设备的驱动先将设备数据从设备上采样到内核缓冲区，再从内核缓冲区拷贝到应用程序缓冲区，数据经过了两次拷贝。当数据量比较小时，如一些控制命令或状态信息，对系统性能几乎没有影响。但是，如果一次传输的数据量比较大，比如视频显卡上的实时视频图像，两次拷贝将大大影响系统的数据处理效率。这时，可采用存储器映射I／O技术，在内核层存储器映射I／O由函数 remap_page_range完成。
　　
由remap_page_range函数的原型可以知道，该函数的意义在于通过将特定物理地址映射到进程虚拟地址，进程可以访问特定的物理地址，而这在普通情况下是不可能的。在本例中，当进程调用mmap函数进行存储映射时，内核会调用驱动注册的hpi_mmap函数，传入的参数之一包括进程虚拟地址。在 hpi_mmap函数里，调用remap_page_range完成从缓冲区物理地址到进程虚拟地址的映射。hpi_mmap函数实现如下：

　　
其中vm_flags字段设置了VM_RESERVED，表示该数据缓冲区一直常驻内存，在内存不足时，不会被交换出去。内核和进程同时对数据缓冲区读写，为了保证数据的一致性，对该区域的访问不应该经过CPU内部的缓冲区，所以用pgprot_noncached设置非缓冲标志。
　　
mmap系统调用返回一个进程虚拟地址，该地址就是vma->vm_start字段，进程对该虚拟地址的访问，最终变为对物理地址CACHE_PHY的访问。
　　
2．3 数据缓冲管理
　　
缓冲管理的主要任务是，当ARM接收到新的一帧时，为其分配相应的缓存，并将在物理地址重映射到进程虚拟地址。当应用程序处理该帧时，缓冲管理负责内存区域的回收。
　　
当Linux内核启动时，可以传人参数mem=PHY_LEN，指定存储空间的大小。在本例中，内核启动时为HPI驱动预留8 MB的高端物理内存。在本例中，借助Linux中对普通外设I／O内存(PCI卡内存等)管理的思想，用高度为2的树表示一块连续的区域。该数据结构的优点在于，资源分配简单，把离散的小内存合并为一块连续的大缓冲区的算法复杂度为O(1)。具体实现请参阅内核源码中resource结构相关部分。
　　
重映射新一帧视频数据到进程虚拟地址是缓冲管理的另一任务。因为前一帧数据物理地址已经映射到进程虚拟地址，需要先将前帧物理地址与进程虚拟地址的映射关系去掉，然后重映射当前帧数据到进程虚拟地址。去掉物理地址与进程虚拟地址的映射关系由内核函数zap_page_range完成，调用该函数后，如果进程再访问该虚拟地址，内核会产生缺页中断。这时再用remap_page_range建立当前帧数据物理地址与进程虚拟地址间的映射关系，进程就可以通过同一虚拟地址访问当前帧的数据了。该方法的意义在于，进程不用频繁调用mmap建立物理地址与虚拟地址的映射，只用调用一次，当有新数据到达时，驱动自动将新帧数据映射到先前的进程虚拟地址，提高了进程处理视频数据的效率。实现代码如下：

　　
结 语
　　
在当前视频处理平台上，视频处理、视频传输、复杂任务管理等工作一般都是由一块DSP处理器单独完成，结合其他嵌入式微处理器协同工作的技术方案刚刚起步。经测试，在基于本文提出的高速通信方法设计的视频处理平台上，TMS320DM642与AT9lRM9200间的通信速率可以达到50 Mbps，带宽足够用来传输MPEG等压缩视频数据。如果用HPl32模式，速度还会大幅度提高。同时，因为Linux系统的实时性不是很强，如果采用其他实时性强的操作系统，如Vxworks等，系统性能还会有大的提高。