利用MSGQ模塊提高關(guān)鍵資源的性能與簡化復(fù)雜DSP設(shè)計(jì)

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(duì)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(shí)，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(chǎng)不僅要求提高外設(shè)與存儲(chǔ)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(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)的要求。

用于數(shù)字信號(hào)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(duì)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(chǔ)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(jí)故障檢測(cè)/糾錯(cuò)、狀態(tài)/確認(rèn)反饋以及帶內(nèi)中斷/信號(hào)發(fā)送等。

德州儀器(TI)推出的TMS320C6?55等高級(jí)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(duì)數(shù)據(jù)設(shè)定優(yōu)先級(jí)，而且該接口還支持多個(gè)事務(wù)處理的排隊(duì)。

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(shí)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(jì)人員能夠確定如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(gè)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(jì)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(huì)因?yàn)榻涌诨騾f(xié)議的限制影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

例如，一個(gè)簡單的系統(tǒng)可以具備兩個(gè)通過4倍速鏈接相連的DSP。另一個(gè)系統(tǒng)則要求更高的計(jì)算能力，不過不需要更多I/O。這種系統(tǒng)可以由5個(gè)DSP組成，每個(gè)DSP都直接通過1倍速鏈接彼此相連。第三個(gè)系統(tǒng)也包含5個(gè)DSP，它們均采用4倍速鏈接連接至中央交換機(jī)，以實(shí)現(xiàn)更佳的I/O性能(圖1)。第四個(gè)系統(tǒng)則有更繁重的計(jì)算要求，其中可能包含12個(gè)乃至更多的DSP，它們均通過4倍速鏈接連接至一個(gè)或多個(gè)交換機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)最高的計(jì)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(gè)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(gè)速度達(dá)Gbps的天線數(shù)據(jù)通常由可處理24到48 個(gè)天線流(antenna stream)的ASIC或FPGA支持，這時(shí)每個(gè)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(gè)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(dú)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(gè)天線流的系統(tǒng)中能處理相同的數(shù)據(jù)速率，每個(gè)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(duì)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(chǔ)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(gè)用戶通道，每通道速度為19Mbps，這樣整體而言每個(gè)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(jí)編程技術(shù)還是高級(jí)編程技術(shù)均可進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。如果使用低級(jí)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(shí)，還非常適用于在設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)是開發(fā)人員必須了解遠(yuǎn)程處理器的物理存儲(chǔ)器映射，這使第三方集成非常困難。

高級(jí)消息傳遞方案能夠在無需進(jìn)行大量低級(jí)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(duì)目標(biāo)緩沖方案未知的應(yīng)用最為適用，而且對(duì)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(shí)間。

數(shù)家嵌入式處理器廠商為sRIO提供內(nèi)核級(jí)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(duì)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(jí)的抽象水平上設(shè)計(jì)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(jí)高于數(shù)據(jù)緩沖，這一點(diǎn)非常有用，因?yàn)橐愿叩膬?yōu)先級(jí)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(dòng)讀取器和寫入器，因此我們能在單個(gè)處理器上進(jìn)行開發(fā)，而且能方便地針對(duì)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(gè)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(gè)的處理器上完成上述操作，也可在共享存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量(QoS)特性，如針對(duì)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(duì)在MSGQ模塊中發(fā)送的所有消息進(jìn)行分配。我們能用多個(gè)分配器從一個(gè)集分配關(guān)鍵信息，再從另一個(gè)集分配非關(guān)鍵信息。我們可以舉一個(gè)簡單的分配器的實(shí)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(huì)接收地址、緩沖器長度以及請(qǐng)求消息的大小。可將緩沖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(duì)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(duì)列具有整個(gè)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(duì)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?yàn)閮?nèi)部指令就保存在報(bào)頭中，報(bào)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(shí)，傳輸程序?qū)ο?bào)頭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(duì)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?yàn)橛脩裟苤付ㄍㄖ獧C(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(huì)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(duì)列的定位

MSGQ為每個(gè)打開的消息隊(duì)列保留一個(gè)消息存儲(chǔ)庫，消息隊(duì)列的讀取器從消息隊(duì)列的存儲(chǔ)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(gè)處理器，就無需更改讀取器或?qū)懭肫鞔a。

定位消息隊(duì)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(gè)傳輸程序的查詢，以查找所需消息隊(duì)列的位置。采用異步定位法情況下，將消息隊(duì)列定位后會(huì)發(fā)送異步定位消息給指定的消息隊(duì)列。

同步法的實(shí)施更為簡便，但要求用于阻塞隊(duì)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(shí)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(hào)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(duì)列，消息讀取器則能提取消息隊(duì)列并做出回答。

數(shù)據(jù)流示例

以下我們給出來自某個(gè)應(yīng)用程序的基本數(shù)據(jù)流程。根據(jù)設(shè)計(jì)，該應(yīng)用可在兩個(gè)DSP之間移動(dòng)數(shù)據(jù)。在本例中，我們用多個(gè)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(cuò)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(gè)小集有時(shí)要比管理單個(gè)大集要簡單。此外，如果消息大小有所不同，那么采用單個(gè)大集的話就會(huì)浪費(fèi)大量存儲(chǔ)器空間，因?yàn)檫@時(shí)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*估板上，這款*估板采用兩個(gè)通過sRIO實(shí)現(xiàn)互連的1GHz TMS320C6?55 DSP。該*估板提供了完整的代碼以供參考：

main()

if processor 0: 打開雇主消息隊(duì)列并

創(chuàng)建雇主線程。

if processor 1: 打開雇員消息隊(duì)列并

創(chuàng)建雇員線程。

打開錯(cuò)誤消息隊(duì)列并創(chuàng)建錯(cuò)誤線程。

srio_init to initialize peripheral

workerThread()

Loop

MSGQ_get message from the worker queue

確定發(fā)送器

向發(fā)送器發(fā)送特定數(shù)量的消息

bossThread()

MSGQ_locate to locate worker queue

Loop

MSGQ_alloc message

使用要接收的多個(gè)消息來填充消息。

MSGQ_setSrcQueue to embedded boss’s message queue

MSGQ_put message to reader

Loop

MSGQ_get message from the boss queue

errorThread()

Loop

MSGQ_get message from the error queue

Log MQT error via LOG_printf

在單個(gè)處理器上發(fā)送消息

下面將介紹在單個(gè)處理器上發(fā)送和接收消息的幕后情況，這個(gè)過程分為任務(wù)一和任務(wù)二。任務(wù)二由操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，打開MSGQ隊(duì)列，并為該消息隊(duì)列指定 “pend”與“post”函數(shù)。如果沒有消息，則使用“pend”函數(shù)，在而向消息隊(duì)列發(fā)送消息時(shí)則調(diào)用“post”函數(shù)。

如果MSGQ模塊獲得了沒有待決消息的信息，那么就可運(yùn)行任務(wù)一，但必須讀取隊(duì)列標(biāo)識(shí)符，并定位適當(dāng)?shù)年?duì)列，以免其位于不同的處理器上。通常在啟動(dòng)時(shí)定位隊(duì)列對(duì)性能幾乎沒有什么影響。此外，任務(wù)一在向任務(wù)二發(fā)送消息之前還必須為消息傳輸分配存儲(chǔ)器。

一旦任務(wù)一發(fā)送消息，就不能再對(duì)消息進(jìn)行處理，因?yàn)檫@時(shí)MSGQ已擁有該消息，MSGQ會(huì)將該消息分配給適當(dāng)?shù)年?duì)列。任務(wù)二獲得了有消息的信息，并準(zhǔn)備接收消息。一旦任務(wù)二獲得消息，就能夠?qū)ο⑦M(jìn)行重復(fù)使用，并將其發(fā)送回任務(wù)一。例如，如果兩個(gè)任務(wù)要將消息來回傳輸，那么就僅需分配開始的消息。若讀取器接收到消息，就能相應(yīng)地更新內(nèi)容，然后將其發(fā)回。這樣，任務(wù)二就能夠處理消息，一旦處理完成，消息就返回到存儲(chǔ)器管理，任務(wù)二也就不能再對(duì)該消息進(jìn)行處理。消息傳輸至此完成。消息傳遞可通過為數(shù)據(jù)移動(dòng)提供虛擬接口來顯著簡化復(fù)雜處理器通信的開發(fā)與維護(hù)。