基于DSP處理系統(tǒng)的多路數(shù)據(jù)傳輸方法與實(shí)現(xiàn)

余福榮 ，羅海波 ，胡 宇 ，張志芳

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院503所，北京10086；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽110016)

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）廣泛應(yīng)用于圖像處理、通信與醫(yī)療等海量數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。在很多基于DSP的多路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[1]中，需要將大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP片內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，因此如何實(shí)現(xiàn)多路海量數(shù)據(jù)傳輸，充分發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)處理能力，是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

傳統(tǒng)基于DSP的數(shù)據(jù)傳輸方法一般采用中斷或者查詢方式實(shí)現(xiàn)，都是通過CPU控制程序來傳送數(shù)據(jù)，降低了CPU的使用效率。TI公司C6x系列DSP具有增強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器訪問（EDMA）控制器[2]，它在后臺(tái)控制數(shù)據(jù)讀寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不占用 DSP的CPU資源，從而提高了DSP的數(shù)據(jù)處理能力。EDMA控制傳輸方法已應(yīng)用于許多基于DSP的處理系統(tǒng)[3-4]中，但是，大多系統(tǒng)沒有使用EDMA傳輸鏈方式，參考文獻(xiàn)[4]雖采用了EDMA傳輸鏈技術(shù)，但它只是使用EDMA傳輸鏈實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)傳輸主通道EDMA參數(shù)的更新，是針對(duì)小量串?dāng)?shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)的，不適用于多路大量數(shù)據(jù)傳輸。

本文提出一種EDMA多通道傳輸鏈乒乓結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)多路大量數(shù)據(jù)的高效同步傳輸，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 EDMA3控制機(jī)制[5]

EDMA3是TI公司的第三代直接存儲(chǔ)器訪問控制器，有64個(gè)通道，每個(gè)通道有一個(gè)特定的事件與之關(guān)聯(lián)，每個(gè)事件相當(dāng)于一個(gè)同步信號(hào)，由這些事件觸發(fā)相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 EDMA3通道控制器

EDMA3通道控制器(EDMA3CC)可以捕獲多達(dá)64個(gè)事件，包括外部事件、直接寫事件寄存器或EDMA通道鏈?zhǔn)录?。捕獲EDMA事件后，事件隊(duì)列邏輯根據(jù)對(duì)應(yīng)通道設(shè)置給該事件分配隊(duì)列，隊(duì)列中事件按先進(jìn)先出順序進(jìn)行處理。隊(duì)列中先處理的事件根據(jù)其通道參數(shù)集配置發(fā)送傳輸請(qǐng)求，EDMA3傳輸控制器(EDMA3TC)接收到傳輸請(qǐng)求后啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 參數(shù)RAM(PaRAM參數(shù)集)

EDMA3控制器是基于RAM結(jié)構(gòu)的，在DSP片內(nèi)RAM中采用統(tǒng)一地址空間存儲(chǔ)EDMA3通道參數(shù)，共有256個(gè)參數(shù)RAM(PaRAM參數(shù)集)，每個(gè)參數(shù)集長(zhǎng)度為8個(gè)32位數(shù)據(jù)，具體參數(shù)包括數(shù)據(jù)源地址、目的地址、傳輸數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)索引以及通道選項(xiàng)(OPT)等。參數(shù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PaRAM參數(shù)結(jié)構(gòu)

1.3 EDMA的鏈接

當(dāng)通道選項(xiàng)OPT中參數(shù)鏈接控制位STATIC設(shè)為0時(shí)，在一次傳輸申請(qǐng)后，EDMA控制器會(huì)自動(dòng)根據(jù)鏈接地址裝載下一次傳輸需要的參數(shù)，這樣就可將不同的傳輸參數(shù)集鏈接起來，形成一個(gè)參數(shù)鏈，為同一個(gè)通道服務(wù)。當(dāng)OPT中傳輸完成鏈接后使能位TCCHEN設(shè)為1，同時(shí)設(shè)置OPT中傳輸完成號(hào)字段TCC為需要鏈接的通道號(hào)N，在當(dāng)前通道事件觸發(fā)EDMA控制傳輸完成后，就會(huì)觸發(fā)N通道事件，啟動(dòng)該通道的EDMA控制數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)EDMA的多通道鏈傳輸。

2 基于EDMA傳輸鏈的多路數(shù)據(jù)傳輸方法

圖2 基于EDMA傳輸鏈的多路數(shù)據(jù)傳輸方法

本方法實(shí)現(xiàn)的示意圖如圖2所示。在數(shù)據(jù)發(fā)送端，設(shè)計(jì)多個(gè)RAM緩存對(duì)用于緩存多路數(shù)據(jù)，并根據(jù)多路數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)生成一個(gè)同步信號(hào)，鏈接到處理端DSP的EDMA通道1上，用于觸發(fā)該通道的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，在數(shù)據(jù)接收端DSP內(nèi)，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)多個(gè)Buffer緩存對(duì)用于接收多路數(shù)據(jù)，并配置多個(gè)EDMA通道，每個(gè)EDMA通道控制1路數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)置為多通道傳輸鏈乒乓傳輸方式，通道1鏈接到通道 2，通道2鏈接到通道3，通道3再鏈接到其他通道。

首先，在數(shù)據(jù)發(fā)送端，采用乒乓方式同時(shí)緩存多路數(shù)據(jù)，一個(gè)緩存用于數(shù)據(jù)接收緩存，另一個(gè)緩存用于數(shù)據(jù)發(fā)送。接收完數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生的同步信號(hào)觸發(fā)處理端DSP的EDMA通道1控制數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)處理端，同樣采用乒乓方式接收數(shù)據(jù)，一個(gè)用于緩存數(shù)據(jù)接收，另一個(gè)緩存中的數(shù)據(jù)可用于處理。通道1數(shù)據(jù)傳輸完成后啟動(dòng)EDMA通道2數(shù)據(jù)傳輸，通道2數(shù)據(jù)傳輸完成后啟動(dòng)EDMA通道3數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的同步傳輸。

相對(duì)于通常采用的多個(gè)EDMA通道單獨(dú)控制傳輸方式，本方法主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）只需要一個(gè)同步事件，避免了多個(gè)EDMA同步事件傳輸競(jìng)爭(zhēng)，使得數(shù)據(jù)傳輸有序而可靠。（2）一次同步傳輸只需一個(gè)傳輸完成中斷服務(wù)程序，節(jié)省了多個(gè)中斷服務(wù)程序所需時(shí)間。（3）數(shù)據(jù)處理端接收到的多路數(shù)據(jù)已經(jīng)按EDMA事件同步，節(jié)省了數(shù)據(jù)同步處理時(shí)間，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。（4）本方法在數(shù)據(jù)發(fā)送與處理端都采用乒乓方式傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝逝c可靠性。

3 多路圖像處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)工作原理

本圖像處理系統(tǒng)主要由DSP、FPGA和圖像源構(gòu)成，其中DSP采用 TI公司的 TMS320C6455芯片，F(xiàn)PGA使用XC4VLX60芯片。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程為：FPGA同時(shí)采集3路數(shù)字圖像，然后進(jìn)行預(yù)處理，并產(chǎn)生同步信號(hào)，觸發(fā)DSP的EDMA控制3路圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP，在DSP中進(jìn)行3路圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，一次同步只連續(xù)傳輸3路圖像的16行數(shù)據(jù)，傳輸完的數(shù)據(jù)即可進(jìn)行相關(guān)處理。該圖像處理系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 多路圖像處理系統(tǒng)工作原理

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

在FPGA中設(shè)計(jì)3對(duì)PING/PONG緩存，分別用于存儲(chǔ)3路圖像數(shù)據(jù)，每個(gè)緩存的大小設(shè)為能存儲(chǔ)16行的圖像數(shù)據(jù)量；同時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)同步控制模塊，該模塊根據(jù)3路圖像的幀場(chǎng)同步與行計(jì)數(shù)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，并將該信號(hào)連接到DSP的GPIO5上，用來觸發(fā)DSP的EDMA控制數(shù)據(jù)傳輸。同樣，在DSP中設(shè)計(jì)3對(duì)PING/PONG緩存分別用于接收3路圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)計(jì)3個(gè)通道分別控制3路數(shù)據(jù)傳輸，并將EDMA設(shè)為多通道傳輸鏈的工作模式。

根據(jù)自身實(shí)際情況和《國(guó)民營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃（2017—2030年）》的內(nèi)容和要求，定期開展?fàn)I養(yǎng)和食品安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

FPGA以乒乓緩存方式分別接收完3路圖像16行數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，該信號(hào)觸發(fā)DSP的EDMA通道1進(jìn)行圖像1數(shù)據(jù)傳輸；傳輸完該圖像16行數(shù)據(jù)后，EDMA自動(dòng)鏈接到通道2傳輸圖像2數(shù)據(jù)；傳輸完圖像2數(shù)據(jù)后，EDMA又會(huì)自動(dòng)鏈接到通道3傳輸圖像3數(shù)據(jù)，一次同步傳輸完成3路16行圖像數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 EDMA多通道傳輸鏈的設(shè)計(jì)

FPGA輸出的同步信號(hào)鏈接到 DSP的GPIO5、GPIO5事件對(duì)應(yīng)的EMDA通道為53，用于控制圖像1數(shù)據(jù)傳輸；控制圖像2與圖像3的傳輸通道分別設(shè)為6與7通道。其中，53通道采用64與65參數(shù)集對(duì)(對(duì)應(yīng)地址為0x02A04800和0x02A04820)配置EDMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)乒乓傳輸。同樣，6通道采用72與73參數(shù)集對(duì)，7通道采用80與81參數(shù)集對(duì)。

本文EDMA參數(shù)集配置代碼采用TI公司提供的C6455片級(jí)支持庫(kù)CSL函數(shù)[6]進(jìn)行設(shè)置。以53通道 64參數(shù)集為例進(jìn)行說明，其他通道參數(shù)設(shè)置類似。

其中53通道64乒參數(shù)集的關(guān)聯(lián)配置代碼如下：

將OPT的STATIC設(shè)置為0，實(shí)現(xiàn)EDMA通道的乒乓傳輸，并將53通道參數(shù)集OPT的TCCHEN設(shè)置為1，TCC設(shè)置為6，將53通道鏈接到6通道。同樣，將53通道的TCCHEN設(shè)置為1，TCC設(shè)置為7，將6通道鏈接到7通道；將7通道TCCHEN設(shè)置為0，TCC設(shè)置為0，關(guān)閉通道鏈接功能。具體EDMA多通道傳輸鏈?zhǔn)疽鈭D如圖4所示。

其中53通道64參數(shù)集OPT字段的配置代碼如下：

其他參數(shù)設(shè)計(jì)如下：SRC(通道源地址)設(shè)置為片外FPGA的3路緩存映射地址，乒乓緩存分別映射到DSP內(nèi)存的不同空間；DST(通道目的地址)設(shè)置為 Buffer-Ping/BufferPong地址，實(shí)現(xiàn)乒乓接收數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用一維傳輸，只需設(shè)置 ACNT、BCNT與 CCNT值，其他 BCNT、SRCBIDX等傳輸參數(shù)采用默認(rèn)值0即可，一次傳輸16行圖像數(shù)據(jù)，需將3個(gè)通道的ACNT設(shè)置為16x720。LINK設(shè)置參數(shù)的連接地址，本軟件設(shè)計(jì)通過參數(shù)集句柄關(guān)聯(lián)方式設(shè)置LINK鏈接地址，53通道參數(shù)集對(duì)的鏈接句柄分別為hParamY_Pong與hParamY_Ping，對(duì)應(yīng)的地址為0x04820和0x04800，其他通道設(shè)置類似。

其中53通道64參數(shù)集其他主要配置代碼如下：

圖4 EDMA多通道傳輸鏈

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1 一次傳輸時(shí)間與效率統(tǒng)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)為基于TMS320C6455的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，系統(tǒng)時(shí)鐘為1 000 MHz，DSP與 FPGA之間的傳輸速率為 100 MHz，傳輸圖像大小為 720×576，一次同步傳輸 16×720個(gè)圖像 1數(shù)據(jù)、16×720個(gè)圖像 2數(shù)據(jù)以及16×720個(gè)圖像 3數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。完成一次16行3路圖像數(shù)據(jù)傳輸，采用多個(gè)通道傳輸需要3個(gè)EDMA通道事件，并需要3個(gè)傳輸完成中斷服務(wù)程序，接收后需要做同步處理。而采用多通道鏈傳輸只需要1個(gè)EDMA通道事件以及1個(gè)傳輸完成中斷服務(wù)程序，接收后不需要做同步處理。

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用EDMA多通道鏈傳輸方法，數(shù)據(jù)傳輸總體效率提高了18%。由于數(shù)據(jù)傳輸由EDMA在后臺(tái)控制完成，不占用 CPU資源，CPU資源節(jié)省率達(dá)到66%。

文中主要論述了基于DSP處理系統(tǒng)的多路數(shù)據(jù)傳輸方法與實(shí)現(xiàn)過程，創(chuàng)新地提出了一種EDMA多通道傳輸鏈乒乓傳輸方法，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)同步傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)傳輸，能大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率，節(jié)省CPU資源，減少系統(tǒng)時(shí)延，并且避免了多個(gè)EDMA事件與中斷的競(jìng)爭(zhēng)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本文方法已成功應(yīng)用到某型號(hào)無人機(jī)項(xiàng)目中，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，可以廣泛應(yīng)用在基于DSP的多路數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。

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