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TI双核处理器ARM+DSP如何实现协同工作

2019-07-13 20:34发布

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  针对当前应用的复杂性，SOC芯片更好能能满足应用和媒体的需求，集成众多接口，用ARM做为应用处理器进行多样化的应用开发和用户界面和接口，利用DSP进行算法加速，特别是媒体的编解码算法加速，既能够保持算法的灵活性，又能提供强大的处理能力。德州仪器（TI）继第一系列Davinci芯片DM644x之后，又陆续推出了DM643x，DM35x/36x，DM6467，OMAP35x，OMAPLx等一系列ARM＋DSP或ARM＋视频协处理器的多媒体处理器平台。众多有很强DSP开发经验的工程师，以及应用处理开发经验的工程师都转到使用达芬奇或OMAP平台上开发视频监控、视频会议及便携式多媒体终端等产品。基于ARM+DSP的芯片架构，如何进行开发实现做期望的嵌入式应用呢？
传统的芯片，基本是一个处理器内核，或者是通用处理器如ARM，或者是DSP。对于控制和用户接口，一般用通用处理器实现，算法处理或者媒体处理则依赖于DSP或者硬件芯片，很多系统都是双芯片的架构。开发模式也比较单纯，比如ARM芯片，有ARM的的仿真工具，基于OS之上进行应用开发；DSP有DSP的开发工具，如TI的CCS以及510、560的仿真器，可以进行算法的移植、优化、跟踪、调试等。这时，所需要的经验也比较单一。 
                基于ARM+DSP的双核架构，很多工程师不知道如何入手进行开发，提出了很多的疑问，比如对ARM工程师，很困惑的是如何使用DSP的资源？如何进行数据的交互？如何保持双核之间的同步？对DSP工程师，则问到如何进行ARM调试？如何启动DSP？如果进行媒体加速，如何操作外设获取或发送数据等。基于不同的开发经验和基础，ARM工程师和DSP工程师会从完全不同的角度来看SOC的芯片，以至于拿到SOC的芯片根本不知道如何入手，这里就本人的经验与大家分享一下。 
               首先ARM+DSP的芯片，他是一个双核的，对应ARM和DSP分别是不同的指令集和编译器，可以把SOC的芯片看成是两个单芯片的合成，需要两套不同的开发工具，CCS3.3可以进行芯片级的调试和仿真，但是对应ARM和DSP需要选择不同的平台。一般来说，ARM上面跑操作系统，比如Linux，Wince等，在ARM上的开发，除了bootloader以外，基本都是基于OS的开发，比如驱动，内核裁减，以及上层应用等，需要的调试和仿真主要靠log或者OS提供的调试器，如KGDB，Platform Builder等。基于DSP核的开发和传统单核DSP一样，需要用CCS+仿真器来进行开发调试。
     其次，对于芯片的外设接口，ARM核和DSP核都可以访问，典型的情况是ARM控制所有的外设，通过OS上的驱动去控制和管理，这部分和传统的ARM芯片类似；DSP主要是进行算法加速，只是和memory打交道，为了保持芯片的资源管理的一致性，尽量避免由DSP去访问外设。当然，根据具体的应用需求，DSP也是可以控制外设接口进行数据的收发，这时，需要做好系统的管理，避免双核操作的冲突。 
                对memory的使用，非易失的存储空间，比如NAND、NOR Flash，基本也是由ARM访问，DSP的算法代码作为ARM端OS文件系统的一个文件存在，通过应用程序进行DSP程序的下载和DSP芯片的控制。外部RAM空间，即DDR存储区，是ARM和DSP共享存在的，但是在系统设计的时候，需要把ARM和DSP使用的内存严格物理地址分开，以及预留出一部分用来交互的内存空间。一般情况，ARM是用低端地址，DSP通过CMD文件分配高端地址，中间预留部分空间用来做数据交互，比如在OMAP3的Linux下的DVSDK中，128MB的DDR空间被分成三部分，低端地址从0x8000000到0x85800000-1的88MB空间给Linux内核使用；从0x85800000到0x86800000-1的16MB给CMEM的驱动，用来做ARM和DSP的大块数据交互，从0x86800000到0x88000000-1的24MB是DSP的代码和数据空间。
      芯片的启动也是需要重点考虑的问题，一般情况下，是ARM启动，和传统的单核ARM一样，支持不同的启动方式，比如可以支持NAND，NOR，UART，SPI，USB，PCI等接口启动。DSP默认处于复位状态，只有通过ARM的应用下载代码并且解除复位以后，DSP才能跑起来。有些应用场景，需要DSP直接从外部上电就自启动，有些芯片也是支持这种模式的。 
            最后，关于芯片的通信和同步，这个是困扰很多工程师的问题，为了便于客户的开发和使用，TI提供了DSPLINK，CODEC ENGINE的DVSDK开发套件，基于DVSDK可以很方便的进行ARM+DSP的应用开发，下面对DVSDK的软件架构，各个软件模块的功能等做简要介绍。 
             DVSDK是多个软件模块的集成，包括纯DSP端的软件模块，ARM的软件模块和双核交互的软件模块。DVSDK的软件包都是基于实时软件模块（Real-Time-Software-Component：RTSC）的，还需要安装RTSC的工具XDC，XDC是TI开源的一个工具，可以支持跨平台的开发，能够最大程度的代码重用；如果需要进行纯ARM的开发，还需要ARM的编译工具以及Linux内核或者Wince的BSP；如果需要进行DSP的算法开发或者DSP端开执行代码生成，还需要安装DSP的编译器cgtools和DSP/BIOS；为了便于配置生成DSP端的可执行代码，通过向导生成Codec的RTSC包和可执行代码，还可以选装ceutils和cg_xml。 
               DVSDK的核心是Codec Engine，所有的其他软件模块基本都是围绕Codec Engine的。Codec Engine是连接ARM和DSP的桥梁，是介于应用层（ARM侧的应用程序）和信号处理层（DSP侧的算法）之间的软件模块，在编译DSP端可执行代码和ARM端应用程序时，都需要Codec Engine的支持。Codec Engine主要有两部分：
 ARM端应用适配层，提供了精简的API和对应的库给应用层使用。
 DSP的算法调用层，提供了DSP算法的接口封装规范，是的所有的算法通过简单的配置就可以编译到DSP的可执行程序中。
最终的应用程序需要通过Codec Engine的API接口来下载DSP代码，调用DSP端的封装好的算法，以及进行ARM和DSP的通信。
    关于Codec Engine的介绍，可以参考《帮您快速入门Codec Engine》。                  Codec Engine底层ARM和DSP的通信是建立在DSP/BIOS Link之上的，DSP/BIOS Link真正实现ARM和DSP交互的软件模块。由于DSP/BIOS Link是跨平台的，也是有ARM部分和DSP部分组成，其中在ARM端，包括基于OS的驱动和供应用调用的库文件，DSP端，必须要用DSP/BIOS，DSP的可执行代码需要包含DSP/BIOS Link的库文件。DSP/BIOS   Link常用的主要有如下几部分的软件模块：
 PROC相关的，主要是用来做DSP芯片的控制，比如启动，停止等，下载DSP的可执行代码，以及直接读写DSP端的memory空间等
 MSGQ相关，ARM和DSP的通信是基于MSGQ的，MSGQ有轮询等待的方式或者中断的方式，MSG是基于共享内存池的方式。Codec Engine通过MSGQ交互一些关键数据，比如控制，和一些大块数据的地址指针等。大量的数据交互需要通过cmem实现。
 在ARM端，配合Codec Engine使用的软件模块有LinuxUtils或者WinceUtils，包含cmem，SDMA等，cmem是用来在OS之外分配连续物理内存空间，进行物理地址到虚地址，以及虚地址到物理地址空间转化的。为了避免数据的多次复制，需要开辟一块ARM和DSP共享的数据空间，ARM和DSP都可以直接访问，这部分空间需要通过CMEM管理。对ARM来说，CMEM是OS上的一个驱动程序，需要通过IOCTL来实现内存分配或者地址空间转化。由于DSP可以访问任何物理地址空间，通过ARM传给DSP的指针必须是物理地址。 
    为了适配一些播放器的接口，DVSDK还提供了DMAI（Digital Media Application Interface），DMAI提供了更为精简的媒体接口和基于OS的音视频捕捉、回放等接口，在Linux下的gstreamer和Wince下的dshow filter都是基于DMAI的。并且DMAI也提供了最基本的测试应用例子，可以很方便的进行修改和测试。 
    如果只是调用现成的或者第三方的算法库，可以只了解ARM端的软件模块，Codec Engine或者DMAI已经提供了丰富的应用接口，DSP可以认为是个单纯的媒体加速器，把ARM+DSP的芯片当作ASIC一样使用。如果要充分发挥DSP的性能，就需要对DSP进行开发了。Codec Engine对DSP的算法只是规范了接口，以便于和Codec Engine一起生成DSP的可执行程序。 
      开发DSP算法的工程师，和传统的单核的DSP开发模式类似，只需要操作DSP核，基于CCS进行算法开发，最后封装成xDM的接口就可以了。具体如何进行DSP的打包，如何生成DSP的可执行程序，在后续的文章继续讨论。

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