基于MSGQ模塊的DSP的應(yīng)用簡化方案

電信基礎(chǔ)設(shè)備、視頻基礎(chǔ)設(shè)備以及影像應(yīng)用等對于帶寬的要求迅速提升,這些系統(tǒng)需要支持具有更高分辨率、更快幀速率以及更出色音質(zhì)的音視頻流。同時，上述系統(tǒng)還要提高信道密度，降低每信道的功耗。此外，該市場不僅要求提高外設(shè)與存儲器的集成度，而且還要進(jìn)一步縮減電路板面積，從而節(jié)約系統(tǒng)成本。開發(fā)人員需要高度可擴(kuò)展的靈活硅芯片器件和工具來幫助他們跟上市場發(fā)展趨勢的要求。

用于數(shù)字信號處理器(DSP)的一些傳統(tǒng)高性能I/O在可靠性、帶寬充足性以及可擴(kuò)展性等方面都存在一定的局限性。串行RapidIO(sRIO) 能夠通過提供一種高性能的分組交換式互連技術(shù)解決這種局限性問題，這對復(fù)雜的DSP拓?fù)涠苑浅Ｓ杏?。與其前代技術(shù)不同，sRIO不需要與存儲器共享接口，而且既能作為主系統(tǒng)又能作為從系統(tǒng)運(yùn)行。此外，其還可支持較長的物理連接距離以及硬件級故障檢測/糾錯、狀態(tài)/確認(rèn)反饋以及帶內(nèi)中斷/信號發(fā)送等。

德州儀器(TI)推出的TMS320C6?55等高級DSP現(xiàn)已集成了sRIO接口。這種接口具有極高的效率，能直接連接至DSP的DMA引擎，通過事務(wù)處理代理寄存器來降低控制開銷。為了提高DMA系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的效率，可對數(shù)據(jù)設(shè)定優(yōu)先級，而且該接口還支持多個事務(wù)處理的排隊。

復(fù)雜系統(tǒng)拓?fù)渲械膕RIO

首先，我們必須了解sRIO在復(fù)雜系統(tǒng)拓?fù)渲邪l(fā)揮的作用，明確它在物理系統(tǒng)的實施過程中如何提高靈活性。sRIO可支持芯片之間的通信，速度高達(dá) 20Gbps乃至更高。sRIO提供1X和4X寬度的1.25、2.5或3.125GHz雙向鏈接，每向吞吐速率高達(dá)10Gbps。

利用sRIO，設(shè)計人員能夠確定如何實現(xiàn)多個器件的最佳連接。DSP可直接進(jìn)行網(wǎng)形、環(huán)形以及星形拓?fù)涞倪B接，也可通過交換機(jī)進(jìn)行多個DSP的連接，彼此之間有無本地連接均可。此外，我們還可采用sRIO一并連接DSP、FPGA和ASIC。這種高度的靈活性使設(shè)計人員能根據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)流的需要任意安排組件，而不會因為接口或協(xié)議的限制影響系統(tǒng)設(shè)計。

例如，一個簡單的系統(tǒng)可以具備兩個通過4倍速鏈接相連的DSP。另一個系統(tǒng)則要求更高的計算能力，不過不需要更多I/O。這種系統(tǒng)可以由5個DSP組成，每個DSP都直接通過1倍速鏈接彼此相連。第三個系統(tǒng)也包含5個DSP，它們均采用4倍速鏈接連接至中央交換機(jī)，以實現(xiàn)更佳的I/O性能(圖1)。第四個系統(tǒng)則有更繁重的計算要求，其中可能包含12個乃至更多的DSP，它們均通過4倍速鏈接連接至一個或多個交換機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，從而實現(xiàn)最高的計算能力和I/O帶寬。


圖1：在本例中，sRIO能靈活地連接所有五個DSP。

支持sRIO的系統(tǒng)能夠通過充分利用上述特性顯著提高整體性能。例如，在無線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中，總共三到六個速度達(dá)Gbps的天線數(shù)據(jù)通常由可處理24到48 個天線流(antenna stream)的ASIC或FPGA支持，這時每個基站的速率約為123Mbps。另一方面，用戶數(shù)據(jù)通常在DSP上處理，每個用戶通道速度約 19Mbps，統(tǒng)一采用共享的EMIF通道。采用鏈接sRIO通道的DSP使用戶數(shù)據(jù)和天線數(shù)據(jù)能獨立得到處理。采用DSP所需的成本不僅大大低于 FPGA或ASIC，而且在24到48個天線流的系統(tǒng)中能處理相同的數(shù)據(jù)速率，每個通道速度約為123Mbps，因此天線數(shù)據(jù)速度總共能到每秒3到 6Gb。對于用戶數(shù)據(jù)而言，諸如最新DSP系列的較高核心速度、較快的sRIO I/O速度，以及能釋放外部存儲器帶寬等優(yōu)異特性，使通道密度能夠提高到每DSP達(dá)128個用戶通道，每通道速度為19Mbps，這樣整體而言每個DSP 的用戶數(shù)據(jù)總速度達(dá)2.5Gbps。

消息傳遞

軟件開發(fā)人員不僅能夠受益于 sRIO接口具有的更高性能和更高靈活性，而且他們無論采用低級編程技術(shù)還是高級編程技術(shù)均可進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。如果使用低級直接I/O方案，編程人員必須指定目標(biāo)和地址，這種方案在能夠?qū)崿F(xiàn)最佳性能的同時，還非常適用于在設(shè)計時就已知目標(biāo)緩沖方案的應(yīng)用，并且應(yīng)用的分組是固定的。但是，這種方法的缺點是開發(fā)人員必須了解遠(yuǎn)程處理器的物理存儲器映射，這使第三方集成非常困難。

高級消息傳遞方案能夠在無需進(jìn)行大量低級器件編程的情況下就能提供一種更抽象的通信方法。這種方法對目標(biāo)緩沖方案未知的應(yīng)用最為適用，而且對于應(yīng)用分組未知或者比較靈活的情況也很適用。此外，消息傳遞接口能夠顯著縮短用于增加或減少應(yīng)用處理器所需的時間。

數(shù)家嵌入式處理器廠商為sRIO提供內(nèi)核級軟件層支持。例如，在TI DSP中，消息傳遞由DSP/BIOS軟件內(nèi)核基礎(chǔ)消息隊列(MSGQ)模塊提供支持，這使應(yīng)用程序開發(fā)人員能在更高級的抽象水平上設(shè)計軟件。

消息傳遞使應(yīng)用程序能夠通過sRIO互連更高效地與其它DSP通信。通過這種方法發(fā)送的消息，其優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)緩沖，這一點非常有用，因為以更高的優(yōu)先級控制數(shù)據(jù)通常來說是更好的做法。MSGQ能在無需修改源代碼的情況下在處理器中移動讀取器和寫入器，因此我們能在單個處理器上進(jìn)行開發(fā)，而且能方便地針對多處理器系統(tǒng)進(jìn)行縮放。也就是說，寫入器不用了解讀取器駐留在哪個處理器上，這不僅能簡化集成，而且還能簡化客戶端／服務(wù)器應(yīng)用等的開發(fā)工作。

此外，MSGQ還可支持消息的零拷貝傳輸，假定底層物理介質(zhì)支持處理器間零拷貝。零拷貝基本說來就是指針傳遞(pointer passing)，而不是將消息內(nèi)容拷貝到其它消息中。我們可在單個的處理器上完成上述操作，也可在共享存儲器的多部處理器完成。由于能從特定集 (pool)分配消息，因而我們能輕松地實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量(QoS)特性，如針對關(guān)鍵資源提高性能、加快速度等。

MSGQ模塊

MSGQ模塊包括API接口、分配器以及傳輸程序等(圖2)。API接口將應(yīng)用程序與傳輸程序和分配器相隔離。分配器為消息分配提供接口，而傳輸程序則為處理器間的消息傳輸提供接口。

圖2.MSGQ模塊

必須首先對在MSGQ模塊中發(fā)送的所有消息進(jìn)行分配。我們能用多個分配器從一個集分配關(guān)鍵信息，再從另一個集分配非關(guān)鍵信息。我們可以舉一個簡單的分配器的實例，即所謂STATICPOOL的靜態(tài)分配機(jī)制，由應(yīng)用程序提供的靜態(tài)緩沖器負(fù)責(zé)管理。在初始化階段，STATICPOOL分配器會接收地址、緩沖器長度以及請求消息的大小?？蓪⒕彌_器分為指定的消息大小塊，并放置在鏈接列表中，這有助于簡化消息定位。

接下來，傳輸程序在物理鏈接上將消息發(fā)送給另一處理器上的目標(biāo)消息隊列(圖3)。通過傳輸接口，應(yīng)用程序能在不改變自身的情況下改變底層通信機(jī)制，不過需要配置傳輸程序。這種方案將物理鏈接的具體技術(shù)問題隱藏起來，提高了應(yīng)用的可移植性。

圖3：傳輸功能

消息隊列具有整個系統(tǒng)內(nèi)唯一的名稱，發(fā)送器能通過其名稱來定位消息隊列。所有通過MSGQ模塊發(fā)送的消息都必須在第一字段編碼MSGQ_Msg Header，之所以必須是因為內(nèi)部指令就保存在報頭中，報頭由傳輸程序和MSGQ模塊內(nèi)部使用。消息發(fā)送到不同的處理器時，傳輸程序?qū)ο箢^部分的任何字大小和字節(jié)序(endian)差異進(jìn)行處理。應(yīng)用程序負(fù)責(zé)消息專用部分所需的轉(zhuǎn)換。

由于不同的處理器可能采用不同的調(diào)用模塊(系統(tǒng)中的消息隊列)，因此MSGQ模塊允許應(yīng)用程序?qū)懭肫髦付ㄍㄖ獧C(jī)制的類型，這非常有用，因為用戶能指定通知機(jī)制，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)MSGQ。不過，一旦將消息發(fā)送給讀取器，寫入器就會丟掉消息的擁有權(quán)，并且不能再修改或釋放消息，因此在發(fā)送之前確保消息的正確性至關(guān)重要。當(dāng)讀取器接收消息后，必須釋放消息或重復(fù)使用消息。

消息隊列的定位

MSGQ為每個打開的消息隊列保留一個消息存儲庫，消息隊列的讀取器從消息隊列的存儲庫中獲取消息。如果需要將讀取器或?qū)懭肫骶€程移至另一個處理器，就無需更改讀取器或?qū)懭肫鞔a。

定位消息隊列有兩種辦法：同步定位和異步定位。采用同步定位法情況下(可能采取阻塞方法)，消息管理每個傳輸程序的查詢，以查找所需消息隊列的位置。采用異步定位法情況下，將消息隊列定位后會發(fā)送異步定位消息給指定的消息隊列。

同步法的實施更為簡便，但要求用于阻塞隊列的一些參數(shù)，如定位線程等。雖然異步法無需進(jìn)行阻塞，但實際操作更為困難，難以使用。

我們可通過應(yīng)用程序指定的通知機(jī)制來支持同步或異步操作。用戶可指定通知機(jī)制，如信號量和中斷記入等，這樣就不用再遵循特定的調(diào)用模式。消息發(fā)送器能嵌入消息隊列，消息讀取器則能提取消息隊列并做出回答。

數(shù)據(jù)流示例

以下我們給出來自某個應(yīng)用程序的基本數(shù)據(jù)流程。根據(jù)設(shè)計，該應(yīng)用可在兩個DSP之間移動數(shù)據(jù)。在本例中，我們用多個集來管理不同類型的消息，其中包括應(yīng)用程序、傳輸程序內(nèi)部控制消息以及錯誤消息等。采用不同的集并不是必需的，但這樣做有助于簡化應(yīng)用程序的維護(hù)。例如，管理若干個小集有時要比管理單個大集要簡單。此外，如果消息大小有所不同，那么采用單個大集的話就會浪費(fèi)大量存儲器空間，因為這時必須支持最差情況下的空間要求。
本例中的流程可運(yùn)行在TI的TMS320C6?55 EVM等評估板上，這款評估板采用兩個通過sRIO實現(xiàn)互連的1GHz TMS320C6?55 DSP。該評估板提供了完整的代碼以供參考：