基于DSP的HPI接口的視頻數據傳輸系統設計

引 言
　　
在視頻監控、遠程視頻播放等系統中，通常需要將視頻圖形數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到遠程處理機上。作為數字信號處理專(zhuān)用處理器，DSP雖然在視頻壓縮等方面有很大的優(yōu)勢，但對諸如任務(wù)管理，網(wǎng)絡(luò )通信等功能的實(shí)現較困難。運行于通用嵌入式處理器的Linux操作系統，開(kāi)源，可以根據需要修改內核，支持各種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，并且其任務(wù)調度機制性能卓越。綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，嵌入式視頻平臺可以由DSP完成圖形處理功能，并通過(guò)高速接口把視頻數據傳輸給嵌入式微處理器，然后由嵌入式Linux系統完成網(wǎng)絡(luò )傳輸功能。
　　
目前DSP與微處理器之間的高速通信方式有以下幾種：共享內存，此種技術(shù)對軟硬件的設計要求都非常高，同樣效率也最高；通用高速總線(xiàn)接口，如PCI、 USB等，這種類(lèi)型的通信方式采用復雜的鏈路協(xié)議，軟件設計困難；專(zhuān)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，并提出一種在TMS320DM642和AT91RM9200間高速通信的軟硬件實(shí)現方案。通過(guò)HPI接口，TMS320DM642可以高速地將實(shí)時(shí)視頻數據傳輸給AT91RM9200；在A(yíng)T91RM9200上，Lnux驅動(dòng)實(shí)現存儲器映射I／O和物理內存重映射，避免了視頻數據在應用程序與內核之間的二次拷貝，提高了應用程序的網(wǎng)絡(luò )發(fā)包效率。
　　
1 HPI接口硬件設計
　　
HPI是一種并行接口，支持32位(HPl32)和16位(HPll6)數據總線(xiàn)，通過(guò)HPI的數據寄存器(HPIDA、HlPIDF)，ARM可以間接存取DSP的存儲空間。在DSP內部，數據從存儲單元到HPI數據寄存器的傳輸，是由EDMA(增強DMA)控制器完成的。
　　
HPI控制器的外圍引腳包括HD[0-31]、數據總線(xiàn)。HCNTL[O-1]是寄存器訪(fǎng)問(wèn)控制線(xiàn)，HPI控制器有4個(gè)寄存器，通過(guò)這兩根控制線(xiàn)，DSP 可以確定ARM要訪(fǎng)問(wèn)的寄存器。其中，HPIA地址寄存器，存放當前訪(fǎng)問(wèn)單元的地址；HPIC為控制寄存器，實(shí)現各種控制命令；HPIDA自增長(cháng)數據寄存器，每訪(fǎng)問(wèn)一次該寄存器HPIA的內容加4；HPIDF固定地址數據寄存器，與HPIDA不同之處在于，訪(fǎng)問(wèn)該寄存器后HPIA的內容不變。HHWIL，高低位訪(fǎng)問(wèn)控制線(xiàn)，它只用于HPll6模式中，該控制引腳決定寄存器的高或低16位被主機訪(fǎng)問(wèn)。HR／nW，HPI控制器4個(gè)寄存器的讀寫(xiě)控制線(xiàn)。 HDSl、HDS2和HCS，其中HDSl、HDS2可連接ARM的讀、寫(xiě)控制線(xiàn)，HCS連接ARM的nCS7片選線(xiàn)，三者在DSP內部組合形成一個(gè) HSTROBE信號，當HCS低有效并且HDSl或HDS2的讀或寫(xiě)低有效，決定數據寄存器(HPIDA、HPIDF)的讀或寫(xiě)操作。HAS，地址鎖存線(xiàn)，當主機的地址線(xiàn)與數據線(xiàn)復用時(shí)，主機可用該控制線(xiàn)通知。DSP鎖存地址；其他不用該控制線(xiàn)情況時(shí)，應接高電平。nHRDY，DSP輸出線(xiàn)，表示HPI 總線(xiàn)是否可訪(fǎng)問(wèn)。nHINT，中斷輸出線(xiàn)，用于中斷ARM。
　　
DSP與ARM接口電路如圖1所示。采用HPI16模式，16根數據線(xiàn)通過(guò)16245數據隔離器接到ARM數據總線(xiàn)的低16位，將HPI的片選空間置于 ARM的nCS7片選線(xiàn)上，HR／nW讀寫(xiě)信號經(jīng)反向器接到ARM的AB4地址線(xiàn)，HCNTL[O-1]與ARM的地址線(xiàn)AB[2-3]相連，則HPI的 4個(gè)寄存器的讀基地址為0x80000000，寫(xiě)基地址為0x80000010。在A(yíng)RM端從這兩個(gè)地址開(kāi)始訪(fǎng)問(wèn)，相應地對HPI 4個(gè)寄存器訪(fǎng)問(wèn)。

　　
ARM通過(guò)HPI讀寫(xiě)DSP數據空間，須按以下三步順序執行：首先，對HPIC寄存器初始化，主要針對HPI16模式最低位HWOB位設置，決定數據傳輸格式是按高半字在前(設置為0)，還是低半字在前(設置為1)，該位對于HPI32模式無(wú)效，可不設置；然后，對HPIA寄存器初始化，設置訪(fǎng)問(wèn)單元的地址；最后通過(guò)讀寫(xiě)數據寄存器(HPIDA、HPIDF)實(shí)現數據讀寫(xiě)操作，其中讀寫(xiě)HPIDA寄存器是完成連續地址單元讀寫(xiě)操作，讀寫(xiě)HPIDF寄存器是完成固定地址單元讀寫(xiě)操作。注意，在A(yíng)RM讀寫(xiě)的過(guò)程中，如果DSP的nHRDY控制線(xiàn)一直為高，表示HPI數據總線(xiàn)未準備好，ARM的讀寫(xiě)操作必須等待；當nHRDY為低后，ARM才繼續向下執行指令。
　　
2 Linux驅動(dòng)設計
　　
Linux雖然是一種整體式操作系統，但允許在運行時(shí)動(dòng)態(tài)加載或刪除功能模塊。這個(gè)特點(diǎn)方便了驅動(dòng)功能模塊的開(kāi)發(fā)。Linux系統支持兩種模塊調用方式：一種是靜態(tài)編譯，直接編譯進(jìn)內核，在系統啟動(dòng)時(shí)就運行；另外一種是動(dòng)態(tài)加載，在內核運行時(shí)，用insmod／rmmod實(shí)現模塊的加載和刪除功能。在嵌入式系統開(kāi)發(fā)中，一般采用動(dòng)態(tài)加載方式，避免了系統頻繁重啟。當最終發(fā)布產(chǎn)品時(shí)，可以把模塊直接編譯進(jìn)內核。這種處理方式比較簡(jiǎn)單，且效率高。

Linux系統中，內存地址主要涉及以下幾個(gè)概念：物理地址、內核虛擬地址(包括內核邏輯地址)和進(jìn)程虛擬地址。在內核層，當內核要訪(fǎng)問(wèn)某內存空間時(shí)，用的是內核虛擬地址，再由MMU(存儲器管理單元)將內核虛擬地址轉換為物理地址。采用虛擬內存技術(shù)，每個(gè)進(jìn)程都有互不干涉的虛擬空間。三者直接映射的關(guān)系如圖2所示，其中內核函數zap_page_range完成去掉物理地址與進(jìn)程虛擬地址映射關(guān)系的功能。

　　
2．1 驅動(dòng)結構
　　
在Linux中，設備也是作為文件來(lái)訪(fǎng)問(wèn)的。VFS(虛擬文件系統)為各種不同的文件系統提供了統一的訪(fǎng)問(wèn)接口，通過(guò)這些接口，應用程序可以直接使用open、read和IOctl等系統調用對設備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和控制。
　　
本例中，把HPI作為一個(gè)外圍設備，其驅動(dòng)主要實(shí)現對設備的打開(kāi)、關(guān)閉、內存映射、視頻數據緩沖區管理和物理內存切換等功能。根據原理圖，可以確定HPI 四個(gè)寄存器對應的物理地址，在驅動(dòng)初始化過(guò)程中，調用ioremap_uncache函數把物理地址映射為內核虛擬地址，在驅動(dòng)層通過(guò)內核虛擬地址訪(fǎng)問(wèn) HPI的4個(gè)寄存器。
　　
存儲器映射I／O把HPI驅動(dòng)分配的數據空間直接映射到應用程序的虛擬地址空間，應用程序直接訪(fǎng)問(wèn)該空間，避免了用read／write系統調用導致的視頻數據二次拷貝。在內核里，由驅動(dòng)分配一定的緩存，當應用程序不能及時(shí)處理DSP發(fā)送過(guò)來(lái)的視頻數據，可以緩存這些數據；當應用程序處理完一幀圖像時(shí)，采用Linux的物理內存切換技術(shù)，把下一幀數據所在的物理地址重映射到應用程序的同一虛擬地址，這樣，應用程序不用頻繁調用mmap函數映射內存。