DSP/BIOS環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信
關(guān)鍵詞：DSP/BIOS 管道 流I/O 主機(jī)
引 言
對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)的通信很關(guān)鍵。在TI公司的DSP/BIOS環(huán)境下有3種通信方式，即基于管道（PIP，pipe）的通信、基于流（SIO，stream I/O）通道的通信以及基于主機(jī)（HST，host）通道的通信。每一種通信方式都是通過(guò)調(diào)度其相應(yīng)的內(nèi)核對(duì)象來(lái)完成的。DSP/BIOS提供了管理每一種通信方式的模塊及相應(yīng)地API調(diào)用，通過(guò)這些模塊及調(diào)用，可以完成DSP環(huán)境下的輸入/輸出 （I/O）。本文在對(duì)各種通信方式進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上,對(duì)各種通信方式進(jìn)行比較，并給出利用PIP對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的1個(gè)例子。
1 通信方式簡(jiǎn)介
（1）主機(jī)通信
主機(jī)通信方式下，由HST對(duì)象完成主機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間的通信。HST對(duì)象靜態(tài)配置為輸入/輸出，每一個(gè)HST對(duì)象內(nèi)部是用數(shù)據(jù)管道對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
開(kāi)發(fā)DSP應(yīng)用時(shí)，可以應(yīng)用HST對(duì)象來(lái)模仿數(shù)據(jù)流和測(cè)試程序算法對(duì)數(shù)據(jù)的處理。在程序開(kāi)發(fā)的早期，特別是在測(cè)試信號(hào)處理算法時(shí)，程序使用輸入通道對(duì)象訪問(wèn)來(lái)自主機(jī)文件中的數(shù)據(jù)，以及使用輸出通道對(duì)象把算法處理過(guò)的結(jié)果反饋回主機(jī)一側(cè)，以供查驗(yàn)或比較。在程序開(kāi)發(fā)的后期，當(dāng)算法開(kāi)發(fā)完畢時(shí)，可以把HST對(duì)象改回到PIP對(duì)象，通過(guò)利用PIP對(duì)象完成外設(shè)真實(shí)數(shù)據(jù)與目標(biāo)應(yīng)用程序之間的通信。
（2）管道通信
管道（PIP）對(duì)象用于管理塊I/O（也稱為基于流的I/O或者異步I/O）。每一個(gè)PIP對(duì)象維護(hù)著一個(gè)分為固定數(shù)量和固定大小的緩沖區(qū)（稱為幀）。所有的I/O操作在每一刻只處理1幀。盡管每一幀長(zhǎng)度是固定的，但是應(yīng)用程序可以在每一幀中放置可變數(shù)量的數(shù)據(jù)（但不能超過(guò)最大值）。管道有兩端，一端為寫(xiě)線程，一端為讀線程。寫(xiě)線程一端用于向管道中添加數(shù)據(jù)，讀線程一端用于從管道中讀取數(shù)據(jù)。管道能夠用于在程序內(nèi)的任意2個(gè)線程之間傳遞數(shù)據(jù)。經(jīng)常地，管道的一端由ISR控制，另一端由軟件中斷函數(shù)控制。數(shù)據(jù)通知函數(shù)（也稱為回調(diào)函數(shù)）用于同步數(shù)據(jù)的傳輸，包括通知讀函數(shù)和通知寫(xiě)函數(shù)。當(dāng)讀或?qū)?幀數(shù)據(jù)時(shí)，這些函數(shù)被觸發(fā)，以通知程序有空閑幀或者有數(shù)據(jù)可以利用。
（3）流通信
流是一個(gè)通道，通過(guò)它，數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序與 I/O設(shè)備之間傳輸。流通道可以是只讀的（用于輸入）或者只寫(xiě)的（用于輸出）。它對(duì)所有I/O設(shè)備提供了一個(gè)簡(jiǎn)單通用接口，允許應(yīng)用程序完全不用考慮每個(gè)設(shè)備操作的細(xì)節(jié)。流I/O的一個(gè)重要方面是它的異步特性。當(dāng)應(yīng)用程序正在處理當(dāng)前緩沖區(qū)時(shí)，一個(gè)新的輸入緩沖區(qū)正在被添充和以前的緩沖區(qū)正在被輸出。流交換的是指針而不是數(shù)據(jù)，這就大大減少了開(kāi)銷，使得程序更能滿足實(shí)時(shí)約束的要求。流模塊（SIO）通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)與不同類型的設(shè)備打交道。驅(qū)動(dòng)程序由DEV（Device）模塊管理。
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是管理一類設(shè)備的軟件模塊。這些模塊遵從通用接口（由DEV提供），因此，流函數(shù)能夠發(fā)出普通請(qǐng)求。圖 1 給出了流與設(shè)備之間的交互示意圖。
（4）各種通信方式比較
DSP/BIOS支持兩種不同的數(shù)據(jù)傳輸模型，一種是管道模型，由PIP與HST模塊使用；另一種是流模型，由SIO與DEV模塊使用。2個(gè)模型都要求1個(gè)管道或者流具有1個(gè)讀線程和1個(gè)寫(xiě)線程。2個(gè)模型都通過(guò)拷貝指針而不是數(shù)據(jù)來(lái)完成數(shù)據(jù)的拷貝。一般來(lái)說(shuō)，管道模型支持低級(jí)通信，而流模型支持高級(jí)的、與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O。具體情況如表1所列。
表1 DSP/BIOS環(huán)境下通信方式的比較
| 管道對(duì)象（PIP與HST） | 流對(duì)象（SIO與DEV） |
| 程序員必須創(chuàng)建自己的驅(qū)動(dòng)程序 | 提供了一種創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的更加結(jié)構(gòu)化方法 |
| 讀/寫(xiě)線程可以是任意線程類型或者主機(jī)PC | 一端必須由使用SIO調(diào)用的任務(wù)（TSK）來(lái)處理，另一端必須由使用Dxx調(diào)用的HWI處理 |
| PIP函數(shù)是非阻塞的，程序在管道寫(xiě)或讀之間必須進(jìn)行檢查，以確保緩沖區(qū)可利用 | SIO_put、SIO_get和SIO_reclaim是阻塞函數(shù)（SIO）_issue是非阻塞函數(shù)） |
| 使用更少的內(nèi)存，一般較快 | 更加靈活，使用簡(jiǎn)單 |
| 每個(gè)管道擁有自己的緩沖區(qū) | 緩沖區(qū)能夠從一個(gè)流傳輸?shù)搅硪粋€(gè)流而不用拷貝 |
| 管道必須使用配置工具靜態(tài)地配置 | 流可以在運(yùn)行時(shí)刻創(chuàng)建或者使用配置工具靜態(tài)地配置 |
| 對(duì)推棧設(shè)備（stacking devic）沒(méi)有內(nèi)建地支持 | 提供對(duì)堆棧設(shè)備（stacking devic）的支持 |
| 使用HST（內(nèi)部PIP實(shí)現(xiàn)）使得主機(jī)與目標(biāo)機(jī)的通信容易起來(lái) | DSP/BIO提供了大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 |
2 基于管道通信的一個(gè)例子
在基于以上分析的基礎(chǔ)上，給出利用管道進(jìn)行通信的1個(gè)例子。該例是音頻處理的一個(gè)例子。數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源輸入到編碼器以后經(jīng)量化通過(guò)串行口輸入到目標(biāo)機(jī)，目標(biāo)機(jī)處理完畢后再經(jīng)串行口發(fā)送到編碼器，由編碼器經(jīng)揚(yáng)聲器輸出。圖2給出數(shù)據(jù)的流程圖。
（1）管道設(shè)計(jì)
該例中，設(shè)計(jì)了DSS_rxPipe和DSS_txPipe兩個(gè)管道，其中DSS_rxPipe用于數(shù)據(jù)的接收，DSS_txPipe用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。
（2）線程設(shè)計(jì)
由于每個(gè)管道分別對(duì)應(yīng)1個(gè)讀寫(xiě)線程，因此，發(fā)送管道與接收管道總共需要4個(gè)讀寫(xiě)線程。本例中為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，只設(shè)計(jì)了2個(gè)線程。其中，音頻處理函數(shù)（設(shè)計(jì)為軟件中斷SWI）既作為接收管道的讀線程又作為發(fā)送管道的寫(xiě)線程；串行口接收中斷處理服務(wù)例程ISR既作為接收管道的寫(xiě)線程又作為發(fā)送管道的讀線程。
每次中斷發(fā)生時(shí)，串行口中斷服務(wù)例程（ISR）把數(shù)據(jù)接收寄存器（DRR）中的數(shù)據(jù)字（32位）拷貝到數(shù)據(jù)接收管道的一空閑幀中。當(dāng)1幀被填滿時(shí)，ISR把該滿幀寫(xiě)到數(shù)據(jù)接收管道中（通過(guò)調(diào)用PIP_put），供該管道的讀線程（即音頻處理函數(shù)）讀取。音頻處理函數(shù)執(zhí)行時(shí)，它讀取接收管道中的一滿幀，處理完畢后再把它寫(xiě)到發(fā)送管道的一空閑幀中，供該管道的讀線程（即ISR）發(fā)送。每次ISR觸發(fā)時(shí)，它從發(fā)送管道中讀取一滿幀（若有的話），并每次32位字地發(fā)向串行口發(fā)送寄存器（DXR）直到1幀中的所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。然后，該空閑幀被回收到發(fā)送管道，供音頻處理函數(shù)（即該管道的寫(xiě)線程使用）。需要注意的是，由于例子當(dāng)中發(fā)送速率與接收速率一樣，因此，中斷處理函數(shù)不但負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收也負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送，并且每次中斷執(zhí)行時(shí)只發(fā)送1個(gè)32位字。
（3）需注意的問(wèn)題
PIP_alloc和PIP_put由PIP對(duì)象的寫(xiě)線程調(diào)用，PIP_get和PIP_free由PIP對(duì)象的讀線程調(diào)用，這種調(diào)用順序是非常重要的。若打亂這種調(diào)用順序，將會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的后果。因此，每一次對(duì)PIP_alloc的調(diào)用都要跟著對(duì)PIP_put的調(diào)用才能繼續(xù)調(diào)用PIP_alloc；對(duì)于PIP_get，情況也是如此。
另外，為了避免PIP調(diào)用過(guò)程中產(chǎn)生遞歸，作為通知讀/寫(xiě)函數(shù)的一部分，應(yīng)該避免調(diào)用PIP API函數(shù)。如果為了效率起見(jiàn)必須要這樣做，那么對(duì)諸如此類的調(diào)用應(yīng)該加以保護(hù)，以阻止同一管道對(duì)象的重入以及錯(cuò)誤的PIP API調(diào)用順序。例如，在發(fā)送管道的通知讀函數(shù)以及接收管道的通知寫(xiě)函數(shù)的開(kāi)始部分，我們添加了如下語(yǔ)句，以避免遞歸調(diào)用：
static Int nested = 0；
…
if (nested){/*防止由于調(diào)用PIP_get函數(shù)而產(chǎn)生的遞歸調(diào)用*/
return；
}
nested =1；
…
3 總 結(jié)
在DSP/BIOS提供的3種通信方式中，由于PIP對(duì)象的效率很高，因此使得它在基于DSP應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，我們?cè)诶闷渌峁┑谋憷耐瑫r(shí)，一定要妥善處理好通知讀/寫(xiě)函數(shù)的編寫(xiě)工作，以免發(fā)生遞歸調(diào)用，產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。
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