快速實現ARM和DSP的通信和協同工作

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視頻監控子系統是現代智能機器人設計中必不可少的一個部分,它需要采用DSP并根據某種算法對攝入的圖像進行處理和分析,它也需要采用ARM處理器對DSP進行協同管理和控制工作,目前開發工程師碰到的一個最大設計挑戰是:如何最高效率地實現ARM和DSP或協處理器的通信和協同工作?本文將詳細為您介紹解決這一技術挑戰的解決方案和實現指南。

德州儀器(TI)的第一顆達芬奇(DaVinci)芯片(處理器)DM6?46已經問世快三年了。繼DM6?4x之后,TI又陸續推出了DM6?3x、DM35x、DM6?67、OMAP353x等一系列 ARM+DSP或ARM+視頻協處理器的多媒體處理器平臺。很多有很強DSP開發經驗或ARM開發經驗的工程師都轉到達芬奇或通用 OMAP(OMAP353x)平臺上開發視頻監控、視頻會議及便攜式多媒體終端等產品。大家都面臨著同一個問題,那就是如何實現ARM和DSP或協處理器的通信和協同工作?TI的數字視頻軟件開發包(DVSDK)提供了Codec Engine這樣一個軟件模塊來實現ARM和DSP或協處理器的協同工作。有很多工程師反饋這個軟件模塊非常好用,節省了很多開發時間,也有工程師認為 TI提供的資料太多,不知如何快速上手。本文將從一個第一次接觸Codec Engine的工程師角度出發,歸納TI提供的相關資源(文檔,例程和網絡資源),并介紹相關開發調試方法幫您快速入門Codec Engine。

1.Codec Engine概述

如圖1所示,Codec Engine是連接ARM和DSP或協處理器的橋梁,是介于應用層(ARM側的應用程序)和信號處理層(DSP側的算法)之間的軟件模塊。ARM應用程序調用Codec Engine的VISA (Video, Image, Speech, Audio)API,如圖1中VIDENC_process(a, b, c )。Codec Engine的stub (ARM側)會把參數a, b, c以及要調用DSP側process這個信息打包,通過消息隊列(message queue)傳遞到DSP。Codec Engine的skeleton(DSP側)會解開這個參數包,把參數a, b, c轉換成DSP側對應的參數x, y, z(比如ARM側傳遞的是虛擬地址,而DSP只能認物理地址),DSP側的server(優先級較低,負責和ARM通信的任務)會根據process這一信息創建一個DSP側的process(x, y, x)任務最終實現VIDENC_process(a, b, c)的操作。

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圖1 達芬奇軟件結構框圖

2. Codec Engine入門第一步

有些初學者認為Codec Engine文件包結構復雜,很難找到自己想找的文檔或例子。其實在Codec Engine文件包的根目下有一個發布說明文檔,比如Codec Engine 1.20 根目錄下的release_notes_codec_engine_1_20.html。這個文檔就是你了解Codec Engine的開始,里面有關于該版本Codec Engine的介紹、相關文檔資料的鏈接、新的功能、支持哪些芯片、已知的bug、修正了哪些bug及例子等等的具體說明。具體如圖2藍色字體所示。瀏覽該文檔后,初學者至少可以知道哪里可以找到自己想要的文檔或例子。舉例來說,如果想找相關的文檔,點擊 Documentation就可以看到這個Codec Engine文件包里的文檔的鏈接。

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圖2 Codec Engine 1.20 Release Notes截圖

3.Codec Engine入門第二步

點擊Codec Engine的發布說明文檔 (如圖2)的Validation Info,我們可以知道Codec Engine 1.20需要和以下軟件模塊和工具配合使用:

* Framework Components 1.20.02
* xDAIS 5.21
* XDC Tools 2.93.01
* DSP/BIOS Link 1.40.05, configured for the DM6?46 EVM
* C6x Code Generation Tools version 6.0.8
* DSP/BIOS 5.31.05
* MontaVista Linux v4.0
* Red Hat Enterprise Linux 3 (SMP)

因此,我們需要在該Codec Engine安裝的DVSDK文件包下面檢查上面提到的軟件模塊和工具是否安裝,版本是否正確。否則,可能會編譯不過 Codec Engine的例子。那么,什么是 Framework Components,什么是xDAIS,什么又是XDC Tools呢?你可以分別到它們的根目錄下瀏覽它們各自的發布說明文檔,做一個總體的了解。

這里我們簡單介紹一下,可以幫助大家盡快找到和自己相關的重點及資源。

1)Framework Components是TI提供的一個軟件模塊,負責DSP側的memory 和DMA資源管理。因此,DSP算法工程師需要了解這個軟件模塊。http://tiexpressdsp.com/wiki /index.php?title=Framework_Components_FAQ

2)xDAIS 是一個標準,它定義了TI DSP算法接口的標準。這樣大大提高了DSP算法軟件的通用性。DSP算法工程師要寫出能被ARM通過Codec Engine調用的算法,必須保證自己的算法接口符合這個標準。因此,DSP算法工程師也必須了解這個軟件模塊。 http://tiexpressdsp.com/wiki/index.php?title=Category:XDAIS

3)XDC Tools和gmake類似,是一個工具。XDC根據用戶定義的一套build指令,通過調用用戶指定的ARM 工具鏈(Tool Chain)和DSP編譯器(C6x Code Generation Tools )build出ARM側和DSP側的可執行文件。可以先不必細究這個工具,只需通過編Codec Engine的例子,知道如何設置build指令就可以了。

4)DSP/BIOS Link是實現ARM和DSP之間通信的底層軟件,Codec Engine就是建立在這個底層軟件之上。在修改系統內存分配(缺省是256MB的DDR2)時,DSP/BIOS Link 1.38版本的用戶需要修改DSP/BIOS Link的配置文件,并重新build DSP/BIOS Link。而DSP/BIOS Link 1.40版本以后的用戶就無需此操作。http://tiexpressdsp.com/wiki /index.php?title=DSPLink_Overview

http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=Changing_the_DVEVM_memory_map

5)C6x Code Generation Tools是Linux環境下C6000系列DSP的編譯器。我們用CCS開發DSP時都是用的Windows環境下的DSP編譯器。

6)DSP/BIOS 是TI 免費提供的DSP實時操作系統。和上面C6x Code Generation Tools一樣,這里的DSP/BIOS也是Linux環境下的版本。DSP系統工程師需要了解這個操作系統。http: //tiexpressdsp.com/wiki/index.php?title=CategorySPBIOS

4. Codec Engine入門第三步

開發ARM+DSP平臺需要三類工程師:ARM應用程序工程師、DSP算法工程師和DSP系統工程師。而開發ARM+協處理器平臺只需要ARM應用程序工程師。下面就讓我們針對這三類工程師做分別介紹。如果您使用的是TI或TI第三方的編解碼算法,就不需要關注DSP算法工程師的部分。如果使用ARM+協處理器平臺,就只需關心ARM應用工程師的部分。

4.1 DSP算法工程師應該如何著手?

這里我們不討論如何開發DSP算法,只討論DSP算法工程師怎樣讓自己的算法可以被ARM通過Codec Engine調用。(參考http://www.ti.com/litv/pdf/sprued6c,這個文檔會講到codec package及相關的.xs和.xdc文件,Codec Engine1.20及以上版本的用戶可以先不細究這些內容,后面會介紹工具幫您自動生成這些文件。)

1)熟悉xDAIS和xDM標準。

xDM 只是xDAIS的擴展,因此,需要先了解xDAIS。在xDAIS 軟件包根目錄下的發布說明文檔里,可以很快找到關于xDAIS和xDM的文檔鏈接。http://focus.ti.com/lit/ug /spruec8b/spruec8b.pdf

在xDAIS安裝路徑下的examples/ti/xdais/dm/examples /g711有一個g711_sun_internal.c,這個算法不符合xDAIS標準。在同一個路徑下的g711dec_sun_ialg.c (decoder)和g711enc_sun_ialg.c (encoder)是封裝成符合xDM標準之后的編解碼算法。可以通過這個例子學習和了解如何把自己算法封裝成符合xDM標準的算法。

xDAIS 6.10及其以后的版本,包含了一個工具QualiTI,可以檢查您的DSP算法是否滿足xDAIS標準(但不會檢查是否滿足xDM)。具體請參考:http://tiexpressdsp.com/wiki /index.php?title=QualiTI_XDAIS_Compliance_Tool

2)熟悉 Framework Components。

Framework Components主要包括兩個模塊DSKT2和DMAN3,它們分別負責DSP側的memory 和EDMA資源管理。DSP算法使用的memory必須是先向DSKT2提出申請并由DSKT2分配得到的。同樣DSP算法使用的EDMA通道也是向 DMAN3申請并由DMAN3分配得到的。而關于QDMA的操作,是通過ACPY3這個模塊實現的。這樣的好處是很容易對DSP側不同的算法做整合,不同的算法之間不用擔心資源(Memory和EDMA)的沖突問題。

在Framework Components 軟件包根目錄下的發布說明文檔里,可以很快找到相關文檔的鏈接。在Framework Components安裝路徑下packagestisdofcdman3examples有一個Fast Copy的例子,可以幫您理解如何基于Framework Components的ACPY3模塊實現QDMA的操作。

另外,有些用戶 DSP側的算法比較簡單,在確保不和ARM側EDMA資源沖突的前提下在算法里直接操作EDMA不使用DMAN3也是可以的。這樣做的弊端是和其它算法做整合時會遇到資源使用沖突的問題。

4.2 DSP系統工程師應該如何著手?

通常DSP算法工程師都會把自己的符合xDM標準算法編成一個.lib文件(或 .a6?P),供DSP系統工程師調用。DSP系統工程師最終build出一個DSP Server(也就是DSP的可執行程序.x6?P,和CCS下編譯生成的.out類似)。(參考http://focus.ti.com/lit/ug /sprued5b/sprued5b.pdf,這個文檔會講到.xdc和.bld等文件,Codec Engine1.20及以上版本的用戶可以先不細究,后面介紹工具幫您自動生成這些文件。)

1)如果現在有一個.lib文件(或 .a6?P)(算法必須符合xDM標準),如何生成自己的DSP Server呢?下面URL有詳細的關于RTSC Codec and Server Package Wizard工具介紹,教您如何把一個.lib文件封裝成RTSC Codec 包和RTSC DSP Server包,并最終build出DSP的可執行程序.x6?P。http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=RTSC_Codec_And_Server_Package_Wizards http://wiki.davincidsp.com/index ... work_with_the_DVSDK

2)如果您使用的是Codec Engine 1.20以前的版本,請參考Codec Engine安裝路徑下examples/servers/video_copy這個例子。這時就需要搞清楚sprued6c.pdf和 sprued5b.pdf中提到的.xdc和.xs等文件的功能,也可以在video_copy中的相關文件的基礎上修改手動創建出自己的RTSC Codec包和RTSC DSP server包。

3)創建好RTSC Codec 和RTSC DSP Server包之后,就是如何build出.x6?P的問題了。點擊圖2所示的Examples,就可以找到build Codec Engine例子的說明文檔的鏈接。按照這個文檔做一遍后,就可以對如何build Codec Server有一個清楚的了解。其中關鍵是修改user.bld和xdcpaths.mak文件,設置Codec Engine依賴的其它軟件模塊和工具的正確路徑。

4)如果自己的硬件DDR2大小和例子中的256Mbytes不一致,需要修改DSP的.tcf文件和其他配置。還有些工程師不清楚如何分配memory及如何決定具體段,如:DDRALGHEAP和DDR的大小,以及如何配置./loadmodules里的參數都請參考: http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Changing_the_DVEVM_memory_map。

4.3 ARM應用程序工程師應該如何著手?

ARM應用工程師需要調用Codec Engine的VISA API,最終編出ARM側的可執行程序,因此,必須根據自己的應用學習相關的VISA API、如何創建應用側Codec Engine的package及配置文件。(參考http://focus.ti.com/lit/ug/sprue67d/sprue67d.pdf,這個文檔也涉及到如何調試Codec Engine的內容)。

1)了解ARM應用程序調用Codec Engine的流程、VISA API和其他Codec Engine API。可以參考Codec Engine安裝路徑下examples/apps/video_copy的例子(較簡單)或者DVSDK安裝路徑下demos里的encode /decode/encodedecode例子(較復雜)。http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Configuring_Codec_Engine_in_Arm_apps_with_createFromServer

2)了解ceapp.cfg文件。sprue67d.pdf有相關介紹,可以先讀懂examples/apps /video_copy/ceapp.cfg。

3)用4.2 3)中提到的方法學習如何build ARM側的可執行程序。

4)如何在多線程中調用codec engine,參考:http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Multiple_Threads_using_Codec_Engine_Handle

5)還可以參考以下三個文檔了解更多TI demo的ARM應用程序的結構、線程調度等具體的問題。
EncodeDecode Demo for the DaVinci DVEVM/DVSDK 1.2 (Rev. A) (spraah0a.htm, 8 KB) 27 Jun 2007 Abstract
Encode Demo for the DaVinci DVEVM/DVSDK 1.2 (Rev. A) (spraa96a.htm, 8 KB) 27 Jun 2007 Abstract
Decode Demo for the DaVinci DVEVM/DVSDK 1.2 (Rev. A) (spraag9a.htm, 8 KB) 27 Jun 2007 Abstract

5.使用中常碰到的問題

1)如果遇到問題可以先訪問http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Codec_Engine_FAQ。

2)有些工程師沒有DSP開發經驗,或者暫時沒有仿真器通過JTAG調試DSP。可以參考下面網頁的內容,先做一個“Hello World”的例程對ARM和DSP如何協同工作有個感性認識。http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=How_to_build_an_ARM/DSP_Hello_World_program_on_the_DaVinci_EVM

3)很多工程師都是參考video_copy的例子,在它的基礎上把自己的算法加進去。因為有源代碼,這樣比較容易。但肯定要根據自己算法的需要修改ARM和DSP之間傳遞的buffer和參數,重要的是先保證ARM側的應用程序可以把buffer和參數正確傳遞到DSP,DSP可以把處理之后的buffer正確的傳到ARM側的應用程序。把這個通路打通之后,就比較容易定位問題是出在ARM應用程序還是DSP側的算法。另外,參考 video_copy例子時注意代碼的注釋,以便清楚哪一句代碼可以刪掉哪一句必須要修改或保留。如果要擴展xDM的數據結構請參考:http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Extending_data_structures_in_xDM。

4)Codec Engine DSP側會涉及到Cache一致性的問題。請參考:http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Cache_Management

5)關于Codec Engine系統調試,有以下幾種方法:

A.打開Codec Engine trace,通過打印信息看問題出在什么地方。比如engine_open失敗,DSP側不能創建codec 等等。
a)Codec Engine 2.0及以上版本,請參考:http://wiki.davincidsp.com/index ... g_Feature_in_CE_2.0
b)Codec Engine 1.x版本,請參考:http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=TraceUtil

B.ARM 應用程序跑起來后,用仿真器連上CCS調試DSP側程序,參考:http://wiki.davincidsp.com /index.php?title=Debugging_the_DSP_side_of_a_CE_application_on_DaVinci_using_CCS

C.用Soc Analyzer可以做系統調試之外,還可以統計具體函數運行(ARM和DSP側)時間(benchmark)。請參考:http://tiexpressdsp.com/wiki/index.php?title=SoC_Analyzer

6)因為Codec Engine是介于ARM 應用程序和編解碼算法中間的軟件模塊,很多工程師非常想知道它的開銷(overhead),請參考:http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=Codec_Engine_Overhead

7)如何在Linux環境下編DSP的匯編或線性匯編程序?

在Codec Engine安裝路徑下/packages/config.bld文件里

var C6?P = xdc.useModule(‘ti.targets.C6?P’);

之后添加:

C6?P.extensions[“.sa”] = {
suf: “.sa”, typ: “asm:-fl”
}

C6?P.extensions[“.asm”] = {
suf: “.asm”, typ: “asm:-fa”
}

8)DSP側如何統計具體函數運行時間?

TI DSPC6?x+內核有一個6?位的硬件定時器(Time Stamp Counter),它的頻率和CPU頻率一致。最簡單的辦法是使用TSC的低32位TSCL。注意在DM6?4x中,TSCH用于ARM。

#include
void main (){

TSCL=0;

t1=TSCL;
my_code_to_benchmark();
t2=TSCL;
printf(“# cycles == %dn”, (t2-t1));
}

6.結語

以上針對如何上手TI的Codec Engine做了簡單的歸納,還有很多具體細節的問題沒有涉及到。還請各位工程師從自己要用的軟件模塊發布說明文檔開始找到相關的文檔并研究。經常訪問 TI的網頁,http://wiki.davincidsp.com和http://tiexpressdsp.com/wiki找到最新的信息和資料。也非常歡迎您在wiki上提問。

作者:德州儀器半導體技術(上海)有限公司 通用DSP 技術應用工程師 崔晶

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