可高效再配置DSP系統的動(dòng)態(tài)加載技術(shù)

新的移動(dòng)通信市場(chǎng)為DSP 技術(shù)帶來(lái)了一系列新的挑戰。我們可采用動(dòng)態(tài)加載技術(shù)來(lái)有效解決這些難題。
基于 DSP（數字信號處理器）的多功能系統正變得日益普遍，特別在無(wú)線(xiàn)通信方面更是如此。新一代超高性能 DSP 使基站可以承載更多的語(yǔ)音、數據以及視頻信息通道，而高級低功耗 DSP 則為手持終端系統提供了 Web 瀏覽及其他多媒體功能。與以往的任何 DSP 系統相比，上述系統都能夠實(shí)現更強大的多功能軟件靈活性，這不僅是因為通信標準具有很高的多樣性，而且也由于目前無(wú)人知曉眾多新興應用中到底哪些會(huì )勝出。
新型移動(dòng)通信市場(chǎng)較強的開(kāi)放性提出了一系列新的 DSP 技術(shù)挑戰，這不足為奇。其中最重要的是在于如何加載并配置資源密集型的多媒體應用，以及如何在目前正投入使用的各種新興系統上加載，并配置諸多不同的通信算法。由于我們常常要在系統運行時(shí)進(jìn)行軟件再配置，這也使問(wèn)題進(jìn)一步復雜化。各種新式應用及運行這些應用的、基于DSP的系統成功與否，取決于是否能開(kāi)發(fā)出成功應對上述挑戰的軟件配置技術(shù)。
目前，開(kāi)發(fā)人員發(fā)現動(dòng)態(tài)加載應用模塊是在運行期間再配置系統以改變或擴展其功能的最有效方式。開(kāi)發(fā)人員不能 在運行前靜態(tài)配置許多 DSP 系統，其原因在于執行操作的實(shí)時(shí)要求。但是，動(dòng)態(tài)加載允許系統根據需要進(jìn)行自身的再配置。舉例而言，支持多個(gè)調制解調器協(xié)議的基站系統可使用動(dòng)態(tài)加載，從而為目前的服務(wù)請求進(jìn)行適當的自身再配置。我們不妨再舉另一個(gè)例子，即把基于Web的內容下載到無(wú)線(xiàn)手持終端中。我們不能鏈接一個(gè)靜態(tài)的程序圖像，讓它支持用戶(hù)可能選擇的所有潛在Web瀏覽路徑。但是，我們可以通過(guò)動(dòng)態(tài)加載在用戶(hù)需要時(shí)下載某功能所需的支持。這種運行時(shí)的靈活性使動(dòng)態(tài)加載成為可再配置 DSP 系統的關(guān)鍵技術(shù)。
動(dòng)態(tài)加載在臺式機領(lǐng)域很常見(jiàn)，用戶(hù)常用它從各自獨立的可升級模塊來(lái)進(jìn)行應用匯編。但是，開(kāi)發(fā)人員過(guò)去在DSP系統中不怎么使用動(dòng)態(tài)加載技術(shù)，因為過(guò)去它們通常都是帶有實(shí)時(shí)確定要求的單一應用。
其他技術(shù)的沉沒(méi)
開(kāi)發(fā)人員也已嘗試過(guò)采用靜態(tài)技術(shù)進(jìn)行再配置，但上述技術(shù)與動(dòng)態(tài)加載相比較少成功，其中之一就是構建了多個(gè)程序圖像，每個(gè)圖像都帶有不同的算法集合。當開(kāi)發(fā)人員在運行時(shí)可以確定實(shí)際的配置時(shí)，就可以下載適當的圖像。在帶寬有限的無(wú)線(xiàn)鏈接情況下，可能需要很長(cháng)的時(shí)間才能下載完整的應用，而且如果開(kāi)發(fā)人員必須通過(guò)重復下載完整的圖像才能在運行過(guò)程中對系統進(jìn)行再配置的話(huà)，那么就會(huì )中斷系統的使用。對于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這種方法要求在構建應用可能需要的所有圖像之前須提前進(jìn)行全面了解。
在具有多種獨立功能差異的系統中，開(kāi)發(fā)人員必須構建的圖像數量也呈組合式增長(cháng)。隨著(zhù)系統和軟件應用變得越發(fā)復雜，最終也不可能預先確定所有潛在要求，因此這種方法也就不再可行了。
開(kāi)發(fā)人員還推出了疊加技術(shù)，可部分地解決上述問(wèn)題。根據這種方法，備用代碼或數據處于相同的存儲器空間中。當模塊在運行時(shí)被寫(xiě)入該空間并疊加原先的模塊時(shí)，就會(huì )進(jìn)行再配置。這種方法減少了加載時(shí)間，并且進(jìn)行再配置也不必中斷應用。如果開(kāi)發(fā)人員可限制系統僅從一個(gè)系列選擇中做出一種選擇，那么系統就可相當有效地采用疊加的方法了。但如果系統要求多種選擇，那么為每個(gè)疊加都預先確定存儲器分配就不大可能現實(shí)了。這種情況可能會(huì )要求構建多個(gè)疊加圖像，每個(gè)圖像針對一個(gè)可能的存儲器進(jìn)行綁定。這種方法也再次帶來(lái)了圖像數量組合增長(cháng)的問(wèn)題。
動(dòng)態(tài)加載的優(yōu)勢
動(dòng)態(tài)加載將模塊與系統物理存儲器的綁定延遲到運行時(shí)再進(jìn)行，這就避免了上述問(wèn)題。因此，代碼可運行于不同的系統設置上，從而帶來(lái)了更高的靈活性與可重復使用性。在大多數嵌入式系統中，片上存儲器非常珍貴，系統必須對其進(jìn)行高效利用，但確定系統的哪部分應駐留于片上存儲器中可能在開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有很強的局限性。動(dòng)態(tài)加載允許開(kāi)發(fā)人員推遲到運行時(shí)再做出決定，這時(shí)他們可采用實(shí)時(shí)條件來(lái)確定在給定時(shí)間中哪種算法應駐留于存儲器。開(kāi)發(fā)人員可根據需要重復地替代或交換算法，這對應用持續使用的影響也較小。在新型的無(wú)線(xiàn)系統中，多通道應用可根據需要交換編解碼器算法，而無(wú)線(xiàn)個(gè)人通信裝置可從遠程服務(wù)器下載 DSP 內容。
動(dòng)態(tài)加載也使系統的升級變得更為方便。升級時(shí)開(kāi)發(fā)人員通常必須得寫(xiě)整個(gè)系統，其中包括寶貴的用戶(hù)與配置數據。但利用動(dòng)態(tài)加載，他們可將升級限制在系統的一個(gè)或更多部分，如某種算法或某個(gè)數據表格。此外，動(dòng)態(tài)模塊升級還僅取決于基礎系統提供的功能API（應用編程接口）；而非取決于基礎系統的靜態(tài)地址。這意味著(zhù)，一個(gè)動(dòng)態(tài)模塊可支持多個(gè)產(chǎn)品版本，只要所有版本提供的API相同即可。

表1總結了DSP系統再配置的關(guān)鍵問(wèn)題。顯示了動(dòng)態(tài)加載與疊加及靜態(tài)加載屬性之間的比較。正如該表所示，與靜態(tài)圖像及疊加相比，動(dòng)態(tài)加載在基于DSP系統的再配置方面具有強大的優(yōu)勢。

我們接下來(lái)將根據 TI 的 TMS320 DSP 討論動(dòng)態(tài)加載的組件及其工作的方式，不過(guò)根據實(shí)施不同，具體細節也有所不同。
自加載 DSP 應用
在典型的自加載 DSP 應用中，單獨的 DSP 運行于主控制程序中，該程序包括動(dòng)態(tài)加載器庫（圖 1）。這種方法保存了一些動(dòng)態(tài)圖像所用的 DSP 存儲器。當應用要求動(dòng)態(tài)模塊或動(dòng)態(tài)模塊組時(shí)，該控制程序將調用動(dòng)態(tài)加載器，指定待加載的模塊圖像。模塊圖像可位于閃存或二級存儲設備中，系統也可從某些設備中讀取圖像。加載器為每個(gè)模塊分配存儲器，為所選的存儲器調整圖像位置，建立到主程序的任何引用，并將調整后的圖像復制到動(dòng)態(tài)存儲器中。當加載完成后，動(dòng)態(tài)模塊則與應用無(wú)縫集成，就象它從初始化之后即存在于系統中一樣。
自加載的典型使用為具備 DSP 功能的支持多種媒體格式的媒體播放器設備。它將每種可能的輸入來(lái)源、媒體格式、音頻效果及輸出進(jìn)程表示為動(dòng)態(tài)模塊。當用戶(hù)選擇媒體時(shí)，系統將加載適當的模塊并開(kāi)始播放。

圖1 DSP 的動(dòng)態(tài)自加載
MCU 控制的加載
在典型的 MCU 控制的 DSP 應用中，微控制器管理 一個(gè)或更多 DSP 處理器（圖 2）。微控制器選擇在每個(gè) DSP 上的哪個(gè) DSP 模塊或模塊集運行，并使用動(dòng)態(tài)加載器加載適當的模塊。這種使用在幾個(gè)重要方面不同于自加載應用。其一，動(dòng)態(tài)加載器運行于微處理器上，而不是運行于正在加載的處理器上。此外，微處理器通常代表 DSP 管理動(dòng)態(tài)存儲器，因為 DSP 要求非直接存儲器分配算法。再者，在微計算機控制的加載中，動(dòng)態(tài)圖像的加載可能要求通過(guò)接口外設進(jìn)行輸出，因為微控制器可能不能直接訪(fǎng)問(wèn) DSP 存儲器的地址。
主從應用發(fā)生于基站、中心局及無(wú)線(xiàn)終端中。在基站和中心局中，單一的微控制器管理多個(gè) DSP，每個(gè) DSP 處理多個(gè)通道。TI 的 OMAP1610平臺是一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)終端。該設備主要面向手持多媒體應用，其中，系統主機為ARM MCU，其包括 DSP 橋接功能，可控制 TMS320C55x的加載、初始化及代碼執行。

圖2 MCU 控制的動(dòng)態(tài)加載
現場(chǎng)測試應用
在典型的現場(chǎng)實(shí)驗應用中，服務(wù)技術(shù)人員給出一系列顯示為動(dòng)態(tài)加載模塊的測試應用。通常說(shuō)來(lái)，廠(chǎng)商隨著(zhù)時(shí)間的發(fā)展會(huì )增加并改善本測試。用于測試模塊的備用存儲器加入接受維修服務(wù)的產(chǎn)品，并啟用實(shí)現動(dòng)態(tài)加載。測試設備包括測試模塊以及動(dòng)態(tài)加載器和測試控制應用（這里的加載器可能位于測試控制應用中，也可能內置于加入的產(chǎn)品中）。測試設備還包括內置于產(chǎn)品中的加入點(diǎn)定義（這些符號定義可內置于產(chǎn)品中，抑或測試集可將其作為符號模塊承載）。診斷測試通過(guò)加載各獨立測試進(jìn)行。每個(gè)測試都動(dòng)態(tài)連接到其要求的產(chǎn)品軟件服務(wù)中，如設備驅動(dòng)程序和狀態(tài)變量。
在使用實(shí)際測試時(shí)，動(dòng)態(tài)加載相對于疊加方法的主要優(yōu)勢在于開(kāi)發(fā)人員不用自己構建測試，以匹配于被測試系統的版本。疊加方法要求與同產(chǎn)品版本號數量以及測試次數相同的測試圖像庫，而動(dòng)態(tài)加載的方法只要求測試數量加上每個(gè)產(chǎn)品版本的符號即可。
測試集實(shí)現線(xiàn)性復雜性而不是平方復雜性，其優(yōu)勢是巨大的。如產(chǎn)品帶有內置符號信息，則其可消除最后一項。降低配置復雜性是動(dòng)態(tài)加載在使用實(shí)際測試時(shí)的最大優(yōu)勢。
動(dòng)態(tài)加載器的功能與要求
動(dòng)態(tài)加載器是一個(gè)可配置的庫或 API，用戶(hù)可用 C 語(yǔ)言調用，實(shí)現方便的接口。除了將程序圖像寫(xiě)入 DSP 存儲器之外，動(dòng)態(tài)加載器還可以進(jìn)行必需的鏈接，使得模塊、主應用及其他加載的模塊可實(shí)現相操作。為了達到此目的，動(dòng)態(tài)加載器不但引用模塊外的符號，而且也可記錄模塊中的任何全局定義，便于外部使用。當加載器卸載模塊時(shí)，動(dòng)態(tài)加載器進(jìn)行存儲器恢復，這樣系統就象從未有過(guò)動(dòng)態(tài)模塊一樣。
動(dòng)態(tài)加載器要求一組四個(gè)支持類(lèi)（Class）。應用傳輸實(shí)施上述類(lèi)并配置動(dòng)態(tài)加載器為加載請求中首先四個(gè)參數的對象。第一個(gè)類(lèi)為圖像源，允許系統集成器定義以流的形式接受輸入的機制。源可為外部存儲器、外部設備或外設，甚至也可是應用中的嵌入結構。第二個(gè)類(lèi)為符號處理程序，包括映射符號到地址、進(jìn)行存儲器管理以及有關(guān)符號的錯誤報告等功能。動(dòng)態(tài)加載器使用第三個(gè)類(lèi)（DSP 存儲器分配程序）來(lái)為動(dòng)態(tài)模塊請求存儲器。一旦動(dòng)態(tài)加載器確定了存儲器的內容，動(dòng)態(tài)存儲器就會(huì )使用第四個(gè)類(lèi)（DSP 存儲器初始化程序）來(lái)請求系統更新 DSP 存儲器分配器返回的存儲器地址。
由于動(dòng)態(tài)加載器鏈接至用戶(hù)的應用，因此實(shí)施它的代碼必須迅速、小巧并具備較強的健碩性。程序員以專(zhuān)為速度進(jìn)行過(guò)優(yōu)化的算法編寫(xiě) C 庫的代碼。主機圖像再格式化器是動(dòng)態(tài)重載的另一組件，它可進(jìn)行離線(xiàn)狀態(tài)下完成的任何計算。為了高效使用 DSP 的存儲器，動(dòng)態(tài)加載器需要最小的存儲空間。最后，銷(xiāo)售商對動(dòng)態(tài)加載器進(jìn)行了徹底的測試，因為該代碼在運行時(shí)出現錯誤是不可接受的。

圖3 動(dòng)態(tài)加載的應用開(kāi)發(fā)流程
開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)模塊
動(dòng)態(tài)模塊的代碼開(kāi)發(fā)幾乎與標準開(kāi)發(fā)一樣。圖 3 顯示了創(chuàng )建動(dòng)態(tài)模塊并進(jìn)行故障調試的有代表性的開(kāi)發(fā)流程。三個(gè)動(dòng)態(tài)加載組件（動(dòng)態(tài)加載器、圖像再格式化器以及故障調試器插件）以陰影顯示。最初，主應用程序鏈接至動(dòng)態(tài)加載器庫并為動(dòng)態(tài)模塊分配存儲器。隨后，它以正常方式構建模塊的可執行程序，不過(guò)圖像尋址是可通過(guò)使用動(dòng)態(tài)加載器執行過(guò)程中管理的符號進(jìn)行再分配的，而不是靜態(tài)的。
系統將可再分配的圖像作為輸入提供給圖像再格式化器，圖像再格式化器對其進(jìn)行優(yōu)化，以備下載。再格式化器去除加載過(guò)程中非必需的對象代碼部分以減小圖像大小。此外，再格式化器針對 I/O 流式加載重新安排圖像順序，格式化圖像，使其包括在應用中，為確定輸入有效性添加校驗和，并為控制模塊導出的符號提供接口。
當系統需要模塊時(shí)，系統將其流式提供給動(dòng)態(tài)加載器，動(dòng)態(tài)加載器則對其進(jìn)行處理，并將其寫(xiě)入保留的動(dòng)態(tài)模塊存儲器中。由于調試器也必須能夠鏈接至模塊，因此調試器插件會(huì )檢測動(dòng)態(tài)模塊是否存在，并確定對應于動(dòng)態(tài)模塊的原始對象文件的位置。插件隨后會(huì )用所有必需的信息更新開(kāi)發(fā)環(huán)境，從而啟動(dòng)全面故障調試。
限制符號導出的重要性
圖像再格式化工具為控制模塊導出的符號提供了一個(gè)接口。該特性為開(kāi)發(fā)人員隱藏某些符號而讓另一些符號可視以便于其他模塊引用提供了一種途徑。系統使用該功能來(lái)控制訪(fǎng)問(wèn)，并使加載時(shí)間及存儲器面積達到最小。每個(gè)可視的符號都要求正在運行動(dòng)態(tài)加載器的處理器給出幾字節的存儲空間。如果所有鏈接時(shí)符號都可視，那么存儲器使用將成為小型嵌入式系統的一個(gè)問(wèn)題。如果再格式化器限制符號導出，那么符號存儲器使用通常就不構成問(wèn)題。
限制符號導出的另一好處就是實(shí)現更快的加載。根據 OMAP1610 平臺測試進(jìn)行的性能分析給出了以下加載時(shí)間的統計模型：4250+373×符號 +273×再定位 +6.5×圖像_字節。
上述分析顯示，模塊中導出符號的數量是開(kāi)發(fā)人員在改善下載速度時(shí)能夠控制的最主要因素。比較而言，總模塊大小的重要性則較小，減小符號數量所起的作用不到 2%。盡管根據 DSP 及系統配置的不同，上述因素與其他非開(kāi)發(fā)人員可控制因素的確切作用比重會(huì )有所差異，但最小化外部符號這條首要規則保持不變。
開(kāi)放的可能性
動(dòng)態(tài)加載能為 DSP 系統帶來(lái)新的應用功能——這正是即將到來(lái)的下一代無(wú)線(xiàn)技術(shù)所需要的發(fā)展趨勢。高性能 DSP 可加載新型通信算法，而基于 DSP 的手持系統毋需停止系統即可隨意下載 Web 內容及多媒體應用模塊。動(dòng)態(tài)加載作為 DSP 系統的無(wú)縫模塊再配置的一種技術(shù)，其應用要比多靜態(tài)程序圖像或疊加更為靈活和高效。盡管動(dòng)態(tài)加載還是 DSP 領(lǐng)域中的新生兒，但其將很快成為驅動(dòng)多種新型多功能 DSP 應用發(fā)展的因素 。相信隨著(zhù)許多其他 DSP 創(chuàng )新的出現，開(kāi)發(fā)人員會(huì )問(wèn)：過(guò)去沒(méi)有這種技術(shù)，我們都是怎么過(guò)來(lái)的？