DSP/BIOS中的I/O設備驅動(dòng)編程技術(shù)

摘要：介紹了DSP/BIOS中I/O設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)，并給出了一個(gè)在TMS320C5402 DSK上開(kāi)發(fā)語(yǔ)音處理程序的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：數字信號處理器（DSP） 實(shí)時(shí)操作系統 I/O設備驅動(dòng) 應用程序接口（API）

近年來(lái)，隨著(zhù)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP在航空、航天、雷達、通信、消費類(lèi)電子設備等方面都得到了廣泛應用；同時(shí)，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(kāi)發(fā)DSP的應用程序要縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，增加軟件的可編護性和可重用性。語(yǔ)音壓縮、語(yǔ)音識別、圖像處理等方面的應用要求DSP的開(kāi)發(fā)盡可能簡(jiǎn)單，還要求代碼的執行效率高。

DSP/BIOS是TI公司推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統。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(jiǎn)化DSP應用程序的開(kāi)發(fā)和調試。與外部設備的I/O接口是DSP應用開(kāi)發(fā)中不可缺少的重要部分?；贒SP/BIOS的I/O設備驅動(dòng)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(dòng)時(shí)可使相互的影響降為最小。

1 DSP/BISO操作系統簡(jiǎn)介

DSP/BIOS實(shí)際上是一組可重復調用的系統模塊API的集合。只占用DSP很少的資源，可以滿(mǎn)足DSP實(shí)時(shí)運行時(shí)的調試性能分析，編寫(xiě)高效的程序。例如，在TMS320C6211上運行printf()函數需花費4000個(gè)周期，而運行LOG_printf()只花費36個(gè)周期，可printf()要比LOG_pfrintf（）多花費100倍以上的時(shí)間。下面只對與I/O設備驅動(dòng)有關(guān)的模塊作簡(jiǎn)要介紹。

1.1 任務(wù)調度模塊（HWI/SWI/TSK）

在DSP/BIOS中，任務(wù)的調度是通過(guò)HWI、SWI和TSK三個(gè)模塊實(shí)現的。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(xiě)數據。由于硬件中斷直接與硬件打交道，對應的中斷服務(wù)程序ISR應盡可能短小精焊。HWI不引起任務(wù)調度，它在處理完數據的輸入輸出后調用SWI_post()來(lái)調度相應的軟件中斷SWI完成數據處理工作。

DSP/BIOS提供兩類(lèi)優(yōu)先線(xiàn)程：SWI（軟件中斷管理模塊）和TSK（任務(wù)管理模塊）。SWI是DSP/BIOS任務(wù)調度的核心，SWI任務(wù)是搶斷式的，即高優(yōu)先級的任務(wù)可以搶斷低優(yōu)先級的任務(wù)。但是SWI任務(wù)是不可阻塞的，所有SWI任務(wù)共享一個(gè)堆棧，SWI任務(wù)只能在程序編制時(shí)預先定義好。DSP/BIOS中對任務(wù)的動(dòng)態(tài)產(chǎn)生和對阻塞狀態(tài)的支持是通過(guò)TSK模塊來(lái)實(shí)現的。TSK也是可以搶斷的，但每個(gè)TSK任務(wù)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(gè)接口對象，用于支持DSP與外設之間 數據交換。PIP對象帶有一個(gè)緩沖隊列，可以執行帶緩沖的讀任務(wù)和寫(xiě)任務(wù)。SIO沒(méi)有緩沖隊列，SIO的操作get()和put()在應用程序和驅動(dòng)程序之間交換緩沖的指針，而不是數據的拷貝，因此執行效率比PIP高。

PIP和SIO對象支持基于幀的信號處理系統的實(shí)現。在多速率系統中需要使用優(yōu)先級線(xiàn)程來(lái)統一端口通信，在其它需要處理不同尺寸、不同速率的幀的系統中，優(yōu)先級線(xiàn)程也是必須的。PIP對象可被SWI或TSK線(xiàn)程使用，而SIO對象只能被TSK使用。

2 低級設備驅動(dòng)（LIO）

LIO（Low Level I/O）是一組基于DSP/BIOS設計的API函數。它由控制函數、I/O緩沖區管理函數、信令函數組成，如表1所示。應用程序可以通過(guò)LIO函數控制一個(gè)或多個(gè)外設通道。

表1 LIO API函數

LIO函數不考慮數據的轉送方向，也就是說(shuō)僅執行輸出設備、僅執行輸入設備和能執行輸入、輸出的設備執行的是同樣的函數。輸入與輸出之間的主要不同點(diǎn)是傳送到緩沖區隊列函數的參數意義不同。既然所有其它的操作都是同樣的，大多數控制代碼能在單個(gè)驅動(dòng)程序中被所有通道共享。

2.1 總體設計、設想和命名規范

所有的驅動(dòng)程序函數都不能設置成全局中斷。驅動(dòng)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(gè)驅動(dòng)程序與其它驅動(dòng)程序或應用程序爭奪CPU資源。

為了避免由不同驅動(dòng)程序使用同一函數名引起的命名空間沖突，也為了改變驅動(dòng)程序而不需再編譯應用程序代碼，可以通過(guò)函數表訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序函數。用這種方式，僅需要為每個(gè)驅動(dòng)程序定義一個(gè)外部符號。這種符號有其命名規范。此命名規范通過(guò)接線(xiàn)板、在片外設、LIO接口等來(lái)區分。如包含應用程序注釋的源代碼為T(mén)I TMS320VC5402 DSK的AD50音頻編解碼器執行基于DMA的驅動(dòng)程序，驅動(dòng)程序函數表名是DSK5402_DMA_AD50_TI_ILIO。

設備驅動(dòng)程序支持的各通道半雙工（輸入或輸出）通道。每個(gè)函數對應一個(gè)通道變量。一個(gè)能執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(guò)兩個(gè)半雙工通道（一個(gè)輸入，一個(gè)輸出）來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。一個(gè)驅動(dòng)程序支持多少個(gè)物理設備和通道依具體實(shí)現而實(shí)。一般一個(gè)驅動(dòng)程序應能控制一個(gè)物理設備，此設備可能有多個(gè)通道。通道號與物理設備通道的映射執行時(shí)確定。通道號應約定從0開(kāi)始。對I/O設備，一般約定偶數號為輸入，奇數號為輸出。

2.2 三類(lèi)函數

LIO接口中有三類(lèi)函數：控制函數、緩沖區和隊列管理函數、信令函數。

2.2.1 控制函數

控制函數用來(lái)實(shí)現設備的啟動(dòng)、關(guān)閉和控制。其初始函數為驅動(dòng)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(gè)設備至少有一個(gè)用來(lái)傳送數據的緩沖區。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(gè)有三個(gè)存儲單元的LIO驅動(dòng)程序，驅動(dòng)程序中有：由外設填滿(mǎn)或清空的緩沖區“todevice”（到設備）隊列，將傳送的緩沖區返回到應用程序的緩沖區管理程序的“from device”（來(lái)自設備）隊列和當前傳送數據的緩沖區。在虛線(xiàn)框里的認為是在驅動(dòng)程序里面。當前傳送數據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(huà)在“外設”中。含硬件隊列（如DMA重新如載寄存器）的設備也會(huì )含一個(gè)或多個(gè)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。能包含緩沖區指針的第三個(gè)存儲單元是“from device”隊列，在驅動(dòng)程序中為一變量。當設備準備傳送緩沖區時(shí)，緩沖區從輸入隊列傳送到外設寄存器。這些緩沖區然后移到輸出隊列以完成傳送，作為對CPU中斷的響應。

PutBuf()將緩沖區從應用程序傳送到驅動(dòng)程序的輸入隊列。GetBuf()從輸出隊列得到緩沖區。IsEmpty()和IsFull()返回輸入隊列、輸出隊列的狀態(tài)。如果輸入隊列滿(mǎn)，因為無(wú)空間裝新緩沖區，調用putBuf()會(huì )返回錯誤代碼。若IsFull()返回false，接下來(lái)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(huì )成功。

2.2.3 信令

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

3 LIO驅動(dòng)程序例子

音頻處理如語(yǔ)音壓縮、呼叫過(guò)程音調檢測等，是DSP的一般應用。本例是使用TMS320C5402 DSK上的DMA將音頻編解碼數據從McBSP移到緩沖區中。

當驅動(dòng)程序響應應用程序調用和設備中斷時(shí)，采用數據結構跟蹤驅動(dòng)程序的狀態(tài)。有效狀態(tài)是設備驅動(dòng)程序緩沖區隊列的狀態(tài)，如圖1所示。

圖2給出了此模式中最簡(jiǎn)單的傳送狀態(tài)集。圓圈中單詞表示設備驅動(dòng)程序緩沖區隊列的狀態(tài)。第一個(gè)單詞是“to device”隊列，第二個(gè)表示外設占用緩沖區指針，第三個(gè)是“from device”隊列，第二個(gè)表示外設占用緩沖區指針，第三個(gè)是“from device”隊列。E表示空，F表示滿(mǎn)，EEE是起始狀態(tài)。

每個(gè)隊列可以是空（E），滿(mǎn)（F），非空非滿(mǎn)（N）。應用程序調用PutBuf()將緩沖區放到“to device”隊列中。驅動(dòng)程序立即將緩沖區放進(jìn)外設，轉移到狀態(tài)“EFE”。當傳送完畢，外設向驅動(dòng)程序發(fā)中斷信號，然后驅動(dòng)中斷處理程序將緩沖區從外設寄存器轉移到“from device”隊列，轉移到狀態(tài)“EEF”，接著(zhù)調用應用程序的回調函數?；卣{函數調用GetBuf（）從驅動(dòng)程序的“from device”隊列重新得到緩沖區，驅動(dòng)程序返回起始狀態(tài)。

如果驅動(dòng)程序支持硬件排隊，則當一個(gè)緩沖區正由外設傳送時(shí)，“to device”隊列能控制另一個(gè)緩沖區。與圖2中狀態(tài)轉移不同，應用程序現在可能向“to device”隊列增加另一個(gè)緩沖區。驅動(dòng)程序將此緩沖區指針存進(jìn)一個(gè)隊列，此時(shí)狀態(tài)為“FFE”，“to device”隊列為滿(mǎn)，外設正在傳送一個(gè)緩沖區，“from device”隊列為空。使用C數據結構實(shí)現這種狀態(tài)機器的狀態(tài)向量。

使用DMA全局重新加載寄存器來(lái)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(gè)字段“enabled”是一個(gè)布爾值，表示程序的開(kāi)始或結束。下面兩個(gè)字段“currentBuffer”“currentSize”控制當前傳送緩沖區的起始地址和尺寸。當傳送完畢，它們轉移到“from device”隊列?！癴ullBuffer”“fullSize”字段實(shí)現長(cháng)度為1的“from device”隊列。Callback()的地址和參數通過(guò)setCallback（）存儲在狀態(tài)結構中。

驅程序對每個(gè)緩沖區只接收一個(gè)中斷，而不是每個(gè)采樣一個(gè)斷。發(fā)生中斷時(shí)，驅動(dòng)程序已經(jīng)知道緩沖區傳送完畢，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。如果緩沖區已在“to device”隊列中，即已使用重新加載的DMA，則新緩沖區指針和長(cháng)度記錄進(jìn)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(dòng)程序就很容易寫(xiě)出。