MSGQ 模塊使復(fù)雜 DSP 應(yīng)用簡(jiǎn)便易行

電信基礎(chǔ)局端、視頻基礎(chǔ)局端以及影像應(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)的視頻流。同時(shí)，上述系統(tǒng)還要提高通道密度，降低每通道的功耗。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(lái)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。Serial RapidIO (sRIO) 能夠通過(guò)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(wèn)題，這對(duì)復(fù)雜的 DSP 拓?fù)涠苑浅Ｓ杏谩Ｅc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(zhǎng)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 TMS320C6455 DSP 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(guò)事務(wù)處理代理寄存器來(lái)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?sRIO

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(guò)程中如何提高靈活性。sRIO 可支持芯片之間以板間通信，速度高達(dá) 20 Gb/s 乃至更高。sRIO 提供 1X 和 4X 寬度的 1.25、2.5 或 3.125 GHz 雙向鏈接，每向吞吐速率高達(dá) 10 Gb/s。

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(guò)交換機(jī)進(jìn)行多個(gè) DSP 的連接，彼此之間有無(wú)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)。

舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可以具備兩個(gè)通過(guò) 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(guò)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(guò) 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(guò) 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(guò)充分利用上述特性顯著提高整體性能。例如，在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中，總共三到六個(gè)速度達(dá) Gbits/s 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 123 Mbits/s。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 19 Mbits/s，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 123 Mbits/s，因此天線數(shù)據(jù)速度總共能到每秒 3 到 6 Gbits。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 19 Mbits/s，這樣整體而言每個(gè) DSP 的用戶數(shù)據(jù)總速度達(dá) 2.5 Gbits/s。

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(wú)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(wú)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/BIOSTM 軟件內(nèi)核基礎(chǔ) Message Queue (MSGQ) 模塊提供支持，這使應(yīng)用開發(fā)人員能在更高級(jí)別的抽象水平上設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用。

消息傳遞使應(yīng)用能夠通過(guò) sRIO 互連更高效地與其它 DSP 通信。通過(guò)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(lái)說(shuō)是更好的做法。MSGQ 能在無(wú)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(shuō)，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(jiǎn)化集成，而且還能簡(jiǎn)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(shuō)來(lái)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 (specific 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、分配器以及傳輸機(jī)制等（圖 2）。API 接口將應(yīng)用與傳輸機(jī)制和分配器相隔離。分配器為消息分配提供接口，而傳輸機(jī)制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?gòu)牧硪粋€(gè)集分配非關(guān)鍵信息。我們可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單的分配器的實(shí)例，即所謂STATICPOOL 的靜態(tài)分配機(jī)制，其負(fù)責(zé)管理由應(yīng)用提供的靜態(tài)緩沖器。在初始化階段，STATICPOOL 分配器會(huì)接收地址、緩沖器長(zhǎng)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(jiǎn)化消息定位。

接下來(lái)，傳輸機(jī)制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 (destination message queue)（圖 3）。通過(guò)傳輸接口，應(yīng)用能在不改變自身的情況下改變底層通信機(jī)制，不過(guò)需要配置傳輸機(jī)制。這種方案將物理鏈接的具體技術(shù)問(wèn)題隱藏起來(lái)，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(guò)其名稱來(lái)定位消息隊(duì)列。所有通過(guò) MSGQ 模塊發(fā)送的消息都必須在第一字段編碼 MSGQ_MsgHeader，之所以必須是因?yàn)閮?nèi)部指令就保存在報(bào)頭中。報(bào)頭由傳輸機(jī)制和 MSGQ 模塊內(nèi)部使用。消息發(fā)送到不同的處理器時(shí)，傳輸機(jī)制對(duì)消息報(bào)頭部分的任何字大小和字節(jié)庫(kù) (endian) 差異進(jìn)行處理。應(yīng)用負(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)用寫入器指定通知機(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(guò)，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(kù)。消息隊(duì)列的讀取器從消息隊(duì)列的存儲(chǔ)庫(kù)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(wú)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)傳輸機(jī)制的查詢，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(jiǎn)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(wú)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(guò)應(yīng)用指定的通知機(jī)制來(lái)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(lái)自某個(gè)應(yīng)用的基本數(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(lái)管理不同類型的消息，其中包括應(yīng)用、傳輸內(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(jiǎn)化應(yīng)用的維護(hù)。舉例來(lái)說(shuō)，管理若干個(gè)小集有時(shí)要比管理單個(gè)大集要簡(jiǎn)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 TMS320C6455 EVM 等評(píng)估板 (EVM) 上，這款評(píng)估板采用兩個(gè)通過(guò) sRIO 實(shí)現(xiàn)互連的 1GHz TMS320C6455 DSP。該評(píng)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(lái)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(guò)程分為任務(wù)一和任務(wù)二。任務(wù)二由操作系統(tǒng) (OS) 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(méi)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(méi)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(méi)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(lái)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(guò)為數(shù)據(jù)移動(dòng)提供虛擬接口來(lái)顯著簡(jiǎn)化復(fù)雜處理器通信的開發(fā)與維護(hù)。