SHARC陣列板的VMEBus通信分析與應(yīng)用
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) SHARC 實(shí)時(shí)性 VxWorks
目前，許多信號(hào)處理系統(tǒng)DSP都采用Analog Device公司的SHARC系列產(chǎn)品。隨著DSP計(jì)算能力與應(yīng)用范圍的不斷增強(qiáng)和擴(kuò)大，越來(lái)越要求DSP具有實(shí)時(shí)控制能力以及具備多種通信接口。特別隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)控制的DSP應(yīng)用已成為主流；而嵌入式單板機(jī)（Signal Board Computer）顯然在實(shí)時(shí)控制與多通信接口及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面具有及大的優(yōu)勢(shì)。因此，通常在DSP處理機(jī)前端利用單板機(jī)設(shè)置通信控制器，加強(qiáng)對(duì)DSP系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制與外圍通信接口擴(kuò)展。DSP系統(tǒng)與其前端通信控制器之間是否具有良好的實(shí)時(shí)通信，決定了其整體性能的優(yōu)良程度。本文利用Motorola公司的MVME2700單板機(jī)作為DSP信號(hào)處理機(jī)的前端通信控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DSP系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信控制。
1 DSP及其前端控制
在需要高強(qiáng)度信號(hào)處理能力的領(lǐng)域，一般可采用多塊具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SHARC處理器VMEBus陣列板作為信號(hào)處理機(jī)。各陣列板通過(guò)連接線連接，具有很強(qiáng)的信號(hào)處理 能力。SHARC陣列板雖具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，但是卻不適合加載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因此其自身管理功能并不強(qiáng)大，并且通信接口擴(kuò)展性較差，不利于功能擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)控制。為了對(duì)其實(shí)施合理的工作時(shí)序控制并增強(qiáng)外圍通信功能，在其前端配置一塊單板機(jī)，利用VxWorks作為操作系統(tǒng)，并安裝控制程序?qū)HARC陣列板實(shí)施控制。由于單板機(jī)具有良好的通信接口擴(kuò)展性，該單板機(jī)作為信號(hào)處理系統(tǒng)的前端機(jī)可以外接網(wǎng)絡(luò)接口、視頻接口、I/O接口等等，使得信號(hào)處理機(jī)可作為一個(gè)完整的分系統(tǒng)接入控制網(wǎng)絡(luò)；利用單板機(jī)的強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制功能和網(wǎng)絡(luò)功能，使信號(hào)處理機(jī)發(fā)揮最大功效。下面給出SHARC陣列板與其前端的單板機(jī)組成的通信處理系統(tǒng)，如圖1所示。
該嵌入式系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)的VME總線結(jié)構(gòu)，SHARC處理器為ADSP21060，其時(shí)鐘頻率為40MHz，晶體振蕩器的頻率為25.6MHz。每一個(gè)SHARC處理器都支持高達(dá)240MB/s的高速通信。對(duì)SHARC的軟件開(kāi)發(fā)采用Apex(Advanced parallel excutive)，即高級(jí)并行執(zhí)行指令，由Signal Spectrum公司開(kāi)發(fā)的SHARC指令高級(jí)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。
Apex提供了性能優(yōu)良的、靈活的并行處理器指令集，以及對(duì)DSP硬件的便捷訪問(wèn)功能。同時(shí)，Apex還提供了基于VME總線的通信機(jī)制，允許從主機(jī)下裝SHARC代碼到客戶機(jī)，并且具備在主機(jī)和客戶機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋１疚牟捎妹绹?guó)Motorola公司生產(chǎn)的單板機(jī)MVME2700，中央處理器PowerPC MPC750作為Melbourne的前端通信控制器。MVME2700是一個(gè)高度集成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，適用于要求高度實(shí)時(shí)控制管理的系統(tǒng)環(huán)境。它所使用的操作系統(tǒng)就是嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的佼佼者VxWorks。VxWorks是具有高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。該內(nèi)核使用中斷驅(qū)動(dòng)、搶占優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)配機(jī)制，這種機(jī)制使得VxWorks具有高性能的實(shí)時(shí)特性。MVME2700的通信控制程序通過(guò)Tornado軟件在Windows環(huán)境下進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。
2 SHARC的VME總線通信機(jī)制分析
如果要實(shí)現(xiàn)MVME2700對(duì)SHARC的實(shí)時(shí)控制，則必須了解SHARC是如何基于VME總線對(duì)外訪問(wèn)的。由于MVME2700對(duì)SHARC陣列板起著程序下載、引導(dǎo)和控制作用，在Apex開(kāi)發(fā)環(huán)境下視其為主機(jī)，而SHARC陣列板則稱為目標(biāo)機(jī)。對(duì)于SHARC陣列板而言，一般只有根部SAHRC處理器參與VME總線通信。Apex支持兩類主機(jī)與SHARC系統(tǒng)進(jìn)行VME通信的方式：一類方式是在主機(jī)應(yīng)用程序和SHARC陣列板根部處理之間進(jìn)行的較低層的數(shù)據(jù)塊拷貝，類似于簡(jiǎn)單的本地?cái)?shù)據(jù)拷貝標(biāo)準(zhǔn)C程序當(dāng)中的memcpy；另一類則以客戶端/服務(wù)端交互的形式在主機(jī)與SHARC之間建立通信，利用中斷實(shí)現(xiàn)同步，并且可以多路傳輸。下面對(duì)這兩種方式加以分析。
2.1 同存塊拷貝方式
Apex提供主機(jī)與SHARC目標(biāo)機(jī)的任何內(nèi)存地址拷貝數(shù)據(jù)的函數(shù)：cpy_to_SHARC()和cpy_from_SHARC()。給出SHARC陣列板上SHARC-0（根部處理器）的本地地址和主機(jī)上的本地址，即可進(jìn)行內(nèi)存塊拷貝。本質(zhì)上，這是一種基于VME總線的共享內(nèi)存DMA方式，函數(shù)cpy_to_SHARC()和cpy_from_SHARC()自動(dòng)將主機(jī)與目標(biāo)機(jī)的本地址釋放成VME總線地址，通過(guò)共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此可以不必關(guān)心低層具體的VME總線映射關(guān)系，而將重點(diǎn)在上層數(shù)據(jù)傳輸。不過(guò)，某些情況下需要獲得VME映射關(guān)系的時(shí)候，例如主機(jī)需要通過(guò)VME總線對(duì)SHARC的控制寄存器進(jìn)行操作，此時(shí)應(yīng)當(dāng)利用VxWorks的函數(shù)sysLocaltoBusAddr()來(lái)主動(dòng)獲得該寄存器的VME地址映射，對(duì)該VME地址進(jìn)行位操作。要做到這一點(diǎn)，在NT操作系統(tǒng)下則顯得要麻煩得多。由于SHARC與MVME2700的數(shù)據(jù)拷貝通過(guò)VME總線傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速率是非常高的；同時(shí)，由于采取了DMA方式，幾乎不需要CPU介入，從而可提高程序執(zhí)行效率。
2.2 客戶/服務(wù)的阻塞交互方式
該方式要求每次客戶端申請(qǐng)獲得服務(wù)的時(shí)候，向系統(tǒng)提供一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求。該請(qǐng)求包括標(biāo)簽和一同發(fā)送的數(shù)據(jù)包，其結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)格式如下：
typedef struct{
INT32 tag; /*服務(wù)標(biāo)簽*/
INT32 param; /*客戶服務(wù)程序參數(shù)*/
INT32 data; /*數(shù)據(jù)包指針*/
INT16 length; /*數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度*/
INT16 max_len; /*返回包的最大長(zhǎng)度*/
} Server_packet
客戶端提完申請(qǐng)之后就會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)等待服務(wù)端的回答。服務(wù)端截獲該申請(qǐng)之后，根據(jù)服務(wù)標(biāo)簽啟動(dòng)相應(yīng)的服務(wù)模塊，完成相應(yīng)的服務(wù)之后向客戶端發(fā)送回復(fù)，此時(shí)客戶端才能停止阻塞恢復(fù)運(yùn)行，如圖2所示。申請(qǐng)和回復(fù)這兩種數(shù)據(jù)包具有同樣的結(jié)構(gòu)，每次最大數(shù)據(jù)傳輸量不能超過(guò)4KB。客戶端與服務(wù)端之間的實(shí)時(shí)響應(yīng)由系統(tǒng)發(fā)送中斷自動(dòng)完成，不需要人為干預(yù)，具有較高的實(shí)時(shí)性和安全性。
該方式實(shí)質(zhì)是構(gòu)架于VME總線中斷之上的。在客戶端發(fā)送申請(qǐng)包的時(shí)候包含了一個(gè)VME總線中斷，由該中斷驅(qū)動(dòng)服務(wù)端的服務(wù)循環(huán)模塊，然后服務(wù)循環(huán)模塊再調(diào)用相應(yīng)的客戶服務(wù)程序，從而實(shí)現(xiàn)兩路通信握手。該方式將底層的VME總線中斷驅(qū)動(dòng)機(jī)制封裝起來(lái)，在上層建立了規(guī)范的服務(wù)循環(huán)模塊并且允許添加個(gè)人服務(wù)程序，對(duì)于軟件的規(guī)范與維護(hù)有利。當(dāng)然，如果需要更高的實(shí)時(shí)性，可以不采用該方式，而是由客戶端直接發(fā)送VME總線中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)握手，但必須對(duì)于底層的中斷寄存器直接操作，不易維護(hù)。需要指出的是，對(duì)于具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SHARC芯片組而言，只能由根端SHARC處理器作為客戶端，內(nèi)存拷貝也只能在根部SHARC處理器與服務(wù)端處理機(jī)之間進(jìn)行。
2.3 Apex通信機(jī)制在單板機(jī)控制中的應(yīng)用
一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)算的信號(hào)處理機(jī)都應(yīng)該具有嚴(yán)格的工作時(shí)序，在每個(gè)工作時(shí)序進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，這有利于其它分系統(tǒng)的相關(guān)處理以及信號(hào)處理機(jī)運(yùn)算流程的合理安排。因此，對(duì)于信號(hào)處理機(jī)可以采取被動(dòng)觸發(fā)控制，即信號(hào)處理機(jī)完成當(dāng)前工作時(shí)序之后向通信控制器提交下一工作時(shí)序請(qǐng)求，通信控制器可根據(jù)外部指令（通過(guò)網(wǎng)絡(luò)）決定何時(shí)執(zhí)行，這期間信號(hào)處理機(jī)應(yīng)當(dāng)處理阻塞狀態(tài)等待回答。那么通信控制器可以利用Apex提供的第二類交互方式，作為服務(wù)端實(shí)時(shí)響應(yīng)SHARC的服務(wù)申請(qǐng)，并根據(jù)整體系統(tǒng)工作時(shí)序決定信號(hào)處理機(jī)的阻塞時(shí)間；同時(shí)，該方式提供每次4KB的傳輸量，可以用來(lái)下發(fā)工作參數(shù)和其它命令。這樣既可避免繁瑣的中斷同步設(shè)置，又有利于軟件的范也維護(hù)；而進(jìn)行大指數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)當(dāng)?shù)谝活惙绞?。考慮到采取該方式缺乏握手機(jī)制，故應(yīng)當(dāng)在交互方式以及VxWorks的多任務(wù)協(xié)調(diào)與約束下進(jìn)行避免數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生沖突與覆蓋。
3 被動(dòng)觸發(fā)控制實(shí)現(xiàn)
3.1 阻塞式時(shí)序控制
要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)處理機(jī)的被動(dòng)觸發(fā)控制，必須在通信控制器上建立面向SHARC陣列板的服務(wù)模塊。Apex提供一個(gè)SHARC_system對(duì)象，所有的服務(wù)都基于該對(duì)象建立，包括Melbourne引導(dǎo)。該類中的成員函數(shù)SHARC_system::transaction的作用是初始化一個(gè)雙向通信管道，客戶端/服務(wù)端的交互通道都通過(guò)該通道進(jìn)行。完成管道初始化之后，調(diào)用相應(yīng)的成員函數(shù)SHARC_system::service_loop建立服務(wù)循環(huán)，如下面的程序所示：
/*服務(wù)循環(huán)線程*/
int service_thread(SHARC_system *sys){
int status；
printf（“service thread running...”）；
sys->service_loop(Timeout(ENVER));/*啟動(dòng)服務(wù)循環(huán)*/
sys->exit_status(&status); /*退出服務(wù)循環(huán)*/
exit(status)；
return status；
}
利用VxWorks的任務(wù)產(chǎn)生函數(shù)taskSpawn()，將service_thread服務(wù)循環(huán)派生成一個(gè)獨(dú)立的線程來(lái)處理SHARC的申請(qǐng)。當(dāng)SHARC的程序退出后，通信控制器的循環(huán)也將自動(dòng)終止。
由于服務(wù)端必須根據(jù)客戶端提供的服務(wù)標(biāo)簽調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)，這就要求為SHARC_system類加載個(gè)人的服務(wù)程序。首先，定義系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)類Service_group的繼承類Custom_group。然后，在這個(gè)類當(dāng)中添加自己的成員函數(shù)，即通信控制器SHARC的服務(wù)程序；同時(shí)，再定義一個(gè)向量表table[]，將不同成員函數(shù)名稱順次列在其中編制成服務(wù)標(biāo)簽，如下所示：
Custom_call Custom_group::table[]={
/*在向量表里添加服務(wù)標(biāo)簽，第一個(gè)對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽序號(hào)為0
（table[0]）,第二個(gè)為1（table[1]）,以后的以此類推*/
executCommand1,
executCommand2，
……
};
void Custom_group::executCommand1(Server_packet *pkt){
/*在這里用戶寫(xiě)入自己的服務(wù)代碼*/
}
當(dāng)服務(wù)端接收到了申請(qǐng)后，會(huì)立刻自動(dòng)調(diào)用Custom_group::call_service()。該函數(shù)的作用是讀取服務(wù)標(biāo)簽號(hào)碼，并從table[]當(dāng)中取出相應(yīng)的客戶服務(wù)程序執(zhí)行它，如下所示：
void Custom_group::call_service(Server_packet *pkt){
int tag=MINOR_TAG(pkt->tag); /*讀取申請(qǐng)包里的標(biāo)簽序號(hào)*/
if(tag>=0 && tag<=MAX) /*判斷服務(wù)標(biāo)簽是否在原先設(shè)定的范圍內(nèi)*/
{
(this->*(table[tag]))(pkt); /*根據(jù)標(biāo)簽調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)*/
}
……
}
此時(shí)可將需要下達(dá)的指令裝載在回復(fù)包，當(dāng)客戶服務(wù)程序執(zhí)行完畢之后，該回復(fù)包立刻被自動(dòng)發(fā)送出去，因此，可在允許信號(hào)處理機(jī)進(jìn)入下一工作時(shí)序的時(shí)候?qū)⒖蛻舴?wù)程序返回。在Custom_group類當(dāng)中可以添加各項(xiàng)控制服務(wù)項(xiàng)目，例如Melbourne開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)、工作參數(shù)下發(fā)等等。
3.2 非阻塞數(shù)據(jù)拷貝方式
由于這種客戶/服務(wù)交互通信采用了阻塞模式，即SHARC必須等待通信控制器的回復(fù)才可以繼續(xù)執(zhí)行，但在某些情況下SHARC不需要等待。例如，SHARC提出申請(qǐng)，通知通信控制器將計(jì)算完畢的數(shù)據(jù)取走，而SHARC不必等待通信控制器將數(shù)據(jù)拷貝完畢才執(zhí)行后面的計(jì)算。為了避免一直阻塞，可在相應(yīng)的客戶服務(wù)程序當(dāng)中設(shè)置一個(gè)信號(hào)燈，當(dāng)該程序被調(diào)用的時(shí)候即釋放該信號(hào)燈，由信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)其它的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，而該客戶服務(wù)程序立刻返回使SHARC解除阻塞狀態(tài)，如圖3所示。
要實(shí)現(xiàn)該功能，可采取如下的程序代碼：
void Custom_group::executCommand1(Server_packet *pkt){
semGive(semId); /*信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)拷貝模塊*/
return；
}
/*數(shù)據(jù)拷貝模塊*/
void SharcDataCopy(void){
semTake(semId); /*等待獲得信號(hào)燈*/copy_from_SHARC(localBuffer,SHARCBufferAddress,dataLength)； /*從SHARC拷貝數(shù)據(jù)*/
}
通過(guò)以上代碼，當(dāng)SHARC提出申請(qǐng)后，通信控制器立刻響應(yīng)該申請(qǐng)，并在客戶服務(wù)程序當(dāng)中釋放信號(hào)燈。驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)拷貝模塊向Melbourne的根部處理器提取數(shù)據(jù)，客戶服務(wù)程序迅速返回，解除信號(hào)處理機(jī)的阻塞狀態(tài)。
4 結(jié)論
通過(guò)以上的步驟，MVME2700作為服務(wù)端可以隨時(shí)響應(yīng)SHARC的服務(wù)請(qǐng)求，利用阻塞特性執(zhí)行相應(yīng)的時(shí)序控制操作；同時(shí)，也可以執(zhí)行非阻塞數(shù)據(jù)拷貝，從而在VxWorks環(huán)境下建立起通信控制器與SHARC之間完整的被動(dòng)觸發(fā)控制模式。實(shí)際上，也可以由SHARC作為服務(wù)端，MVME2700作為客戶端，建立的方法與上述基本一致。這種模式下，陣列板的任何一塊SHARC處理器均可以作為服務(wù)端，而并非僅有根部處理器。
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