多核片上系統(tǒng)（SoC）架構(gòu)的嵌入式DSP軟件設(shè)計(jì)

Multicore a System-on-a-Chip (SoC) Architecture

SoCs的軟件開發(fā)涉及到基于最強(qiáng)大的計(jì)算模型在各種處理單元之間劃分應(yīng)用程序。這可能需要大量的試用anderror來建立正確的分區(qū)。在高層次上，SoCpartitioning算法如下：
將狀態(tài)機(jī)軟件（那些提供應(yīng)用程序控制、排序、用戶界面控制、事件驅(qū)動(dòng)軟件等的算法）放在一個(gè)RISCprocessor上，如ARM。

將信號(hào)處理軟件放在DSP上，利用DSP為信號(hào)處理功能提供的特定于應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)。

在硬件加速器中放置高速率、計(jì)算密集型算法（如果它們存在并且是根據(jù)考慮的特定算法定制的）。

例如，考慮下面圖1所示的軟件分區(qū)。這個(gè)soc模型包含一個(gè)通用處理器（GPP）、一個(gè)DSP和硬件加速。GPP包含一個(gè)芯片支持庫(kù)，它是一組低層外圍API，提供對(duì)設(shè)備外圍設(shè)備的有效訪問、一個(gè)通用操作系統(tǒng)、一個(gè)算法層和一組API for、application和userinterface層。

該DSP包含一個(gè)類似的芯片支持庫(kù)、以aDSP為中心的內(nèi)核、一組特定于DSP的算法以及與高級(jí)應(yīng)用軟件的接口。硬件加速器包含一組供程序員訪問的api和映射到加速的一些非常具體的算法。

應(yīng)用程序程序員負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的劃分，并將算法映射到相應(yīng)的處理元素。一些供應(yīng)商可能會(huì)為這些處理元素中的一個(gè)或多個(gè)提供“黑盒”解決方案，包括DSP和硬件加速器。

這為應(yīng)用程序開發(fā)人員提供了另一個(gè)抽象級(jí)別，他們不需要知道一些底層算法的細(xì)節(jié)。其他系統(tǒng)開發(fā)人員可能希望訪問這些低級(jí)算法，因此這些系統(tǒng)的編程模型通常具有靈活性，這取決于所需的定制和裁剪量。

Figure1. Software Architecture for SoC

SoC中的通信主要是通過軟件來建立的。例如，通過將DSP數(shù)據(jù)空間中的存儲(chǔ)器定義為寄存器來實(shí)現(xiàn)圖1中的DSP和arm之間的通信接口。

ARM通過主機(jī)接口獲得對(duì)這些寄存器的讀/寫訪問。兩個(gè)處理器可以異步地向?qū)Ψ桨l(fā)出命令，沒有人能控制對(duì)方。命令序列是純順序的；除非DSPhas發(fā)送“命令完成”確認(rèn)，否則ARM不能發(fā)出新命令。

ARM與DSP之間有兩個(gè)寄存器對(duì)建立雙向異步通信，一個(gè)寄存器對(duì)用于向ARM發(fā)送命令，另一個(gè)寄存器對(duì)用于向DSP發(fā)送命令。每個(gè)寄存器對(duì)有：

命令寄存器，用于將命令傳遞給rm或DSP；

命令完成寄存器，用于返回命令的執(zhí)行狀態(tài)；

每個(gè)命令最多可傳遞30字的命令參數(shù)；

此外，每個(gè)命令執(zhí)行最多可以返回30個(gè)單詞的commandreturnparameters。

ARM-to-DSP命令序列如下：

ARM將命令寫入命令寄存器

ARM將參數(shù)數(shù)寫入數(shù)字寄存器

ARM將命令參數(shù)寫入命令參數(shù)空間

ARM向DSP發(fā)出不可屏蔽的中斷

DSP讀取命令

DSP讀取命令參數(shù)

數(shù)字信號(hào)處理器執(zhí)行命令

DSP清除命令寄存器

DSP將結(jié)果參數(shù)寫入結(jié)果參數(shù)空間

DSP寫入“命令完成”寄存器

DSP向ARM發(fā)出提示中斷

從DSP到ARM的命令序列如下：

DSP將命令寫入命令寄存器

數(shù)字信號(hào)處理器將參數(shù)的個(gè)數(shù)寫入數(shù)字寄存器

DSP將命令參數(shù)寫入命令參數(shù)空間

DSP向DSP發(fā)出提示中斷

ARM讀取命令

ARM讀取命令參數(shù)

ARM執(zhí)行DSP命令

ARM清除命令寄存器

ARM將結(jié)果參數(shù)寫入結(jié)果參數(shù)空間

ARM寫入“命令完成”寄存器

ARM向DSP發(fā)送INT0中斷

ARM和DSP之間的通信通常使用一組通信api來完成。下面是通用處理器（在這種情況下是ARM）和DSP之間的一組通信api的示例：

#define ARM_DSP_COMM_AREA_START_ADDR 0x80

Start DSP address for ARM-DSP.

#define ARM_DSP_COMM_AREA_END_ADDR 0xFF

End DSP address for ARM-DSP.

#define ARM_DSP_DSPCR (ARM_DSP_COMM_AREA_START_ADDR)

ARM to DSP, parameters and command
from ARM.

#define ARM_DSP_DSPCCR (ARM_DSP_COMM_AREA_START_ADDR+32)

ARM to DSP, return values and
completion code from DSP.

#define ARM_DSP_ARMCR (ARM_DSP_COMM_AREA_START_ADDR+64)

DSP to ARM, parameters and command
from DSP.

#define ARM_DSP_ARMCCR (ARM_DSP_COMM_AREA_START_ADDR+96)

DSP to ARM, return values and
completion code from ARM.

#define DSP_CMD_MASK (Uint16)0x0FFF

Command mask for DSP.

#define DSP_CMD_COMPLETE (Uint16)0x4000

ARM-DSP command complete, from DSP.

#define DSP_CMD_OK (Uint16)0x0000

ARM-DSP valid command.

#define DSP_CMD_INVALID_CMD (Uint16)0x1000

ARM-DSP invalid command.

#define DSP_CMD_INVALID_PARAM (Uint16)0x2000

ARM-DSP invalid parameters.

Functions

STATUS ARMDSP_sendDspCmd (Uint16 cmd, Uint16 *cmdParams, Uint16 nParams)

Send command, parameters from ARM to
DSP.

STATUS ARMDSP_getDspReply (Uint16 *status, Uint16 *retParams, Uint16 nParams)

Get command execution status, return
parameters sent by DSP to ARM.

STATUS ARMDSP_getArmCmd (Uint16 *cmd, Uint16 *cmdParams, Uint16 nParams)

Get command, parameters sent by DSP
to ARM.

STATUS ARMDSP_sendArmReply (Uint16 status, Uint16 *retParams, Uint16 nParams)

end command execution status, return
parameters from ARM to DSP.

STATUS ARMDSP_clearReg ()

Clear ARM-DSP communication area.

SoC系統(tǒng)啟動(dòng)順序

通常，DSP的引導(dǎo)映像是ARM引導(dǎo)映像的一部分。對(duì)于需要執(zhí)行的不同任務(wù)，DSP可能有許多不同的引導(dǎo)映像。該序列從ARM下載與DSP要執(zhí)行的特定任務(wù)相關(guān)的圖像開始。arm復(fù)位，然后DSP（通過一個(gè)控制寄存器）然后帶來復(fù)位的DSPout。

在這個(gè)階段，DSP開始在一個(gè)特定的位置執(zhí)行，通常在ROM中。這個(gè)地址的ROM代碼初始化DSP內(nèi)部寄存器并將DSP放入idlemode中。此時(shí)，ARM使用主機(jī)端口接口下載DSP代碼。

在完成下載DSP圖像之后，ARM可以向DSP發(fā)送一個(gè)中斷，DSP將其從空閑模式喚醒，矢量到開始位置，并開始運(yùn)行ARM加載的應(yīng)用程序代碼。DSP啟動(dòng)順序如下：

ARM重置DSP，然后將其從重置中取出。

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）退出復(fù)位，并用startaddress加載其程序計(jì)數(shù)器（PC）寄存器。

這個(gè)位置的ROM代碼將DSP分支到一個(gè)初始化routineaddress。

初始化一個(gè)DSP狀態(tài)寄存器，將矢量表移動(dòng)到指定的位置，除專用的不可屏蔽中斷外，所有中斷都被禁用，并且DSP被設(shè)置為模式。

當(dāng)DSP處于其模式時(shí)，ARM用DSP代碼/數(shù)據(jù)加載DSP程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

當(dāng)ARM完成下載DSP代碼時(shí)，它通過斷言一個(gè)中斷信號(hào)從該模式喚醒DSP。

然后，DSP分支到新的interruptvector表所在的起始地址。ARM應(yīng)該至少在開始代碼中加載了abranch。

SoC的工具支持

SoC工具環(huán)境還包含監(jiān)視每個(gè)處理元素的詳細(xì)狀態(tài)的支持。如下圖3所示，anSoc中處理元素的詳細(xì)狀態(tài)報(bào)告和控制允許開發(fā)人員查看系統(tǒng)的執(zhí)行概要。

此外，由于功率敏感的SoC設(shè)備可能會(huì)在應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)關(guān)閉部分或全部設(shè)備，因此了解應(yīng)用程序的功率分布也很有用。這也可以通過適當(dāng)?shù)姆治龉ぞ叩玫健?/p>

一般來說，SoC和異構(gòu)處理器需要更復(fù)雜的工具支持。一個(gè)SoC可以包含幾個(gè)可編程的可調(diào)試處理元素，這些處理元素需要支持代碼生成、調(diào)試訪問和可見性以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析的工具。A這方面的一般模型如下圖2所示。一個(gè)SoC處理器將有幾個(gè)處理元件，如ARM和DSP。

這些處理元素中的每一個(gè)都需要一個(gè)開發(fā)環(huán)境，其中包括提取、處理和顯示調(diào)試和檢測(cè)數(shù)據(jù)流的機(jī)制、調(diào)用和插入內(nèi)存的機(jī)制以及控制可編程元素執(zhí)行的機(jī)制，以及生成、鏈接和構(gòu)建可編程元素可執(zhí)行映像的工具。

Figure2. An SoC tools environment

SoC工具環(huán)境還包含監(jiān)視每個(gè)處理元素的詳細(xì)狀態(tài)的支持。如下圖3所示，anSoc中處理元素的詳細(xì)狀態(tài)報(bào)告和控制允許開發(fā)人員查看系統(tǒng)的執(zhí)行概要。

此外，由于功率敏感的SoC設(shè)備可能會(huì)在應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)關(guān)閉部分或全部設(shè)備，因此了解應(yīng)用程序的功率分布也很有用。這也可以通過適當(dāng)?shù)姆治龉ぞ叩玫健?br />
Figure3. Tools support provide visibility into the status of each of theSoC processing elements

SoC的視頻處理實(shí)例

視頻處理是需要片上系統(tǒng)解決方案的商業(yè)應(yīng)用的一個(gè)很好的例子。視頻處理應(yīng)用程序是計(jì)算密集型的，需要大量的MIPS來維持這些應(yīng)用程序所需的數(shù)據(jù)吞吐量。這些應(yīng)用程序中的一些非常復(fù)雜的算法包括：

“圖像管道處理和視頻穩(wěn)定

“壓縮和減壓

“顏色轉(zhuǎn)換

“水印和各種形式的加密

Figure4. A SoC designed for video and image processing using a RISC device(ARM926) and a DSP

要執(zhí)行每秒30幀的MPEG-4算法，根據(jù)視頻的分辨率可以達(dá)到2500 MIPS。

音頻通道處理沒有要求那么高，但是仍然需要足夠的整體MIPS來執(zhí)行音頻壓縮和解壓縮、均衡和采樣率轉(zhuǎn)換。

隨著這些應(yīng)用變得更加復(fù)雜和要求更高（例如，新的壓縮技術(shù)仍在開發(fā)中），這些SoC將不僅需要支持一個(gè)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，還需要支持幾個(gè)不同的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。用于視頻應(yīng)用的soc包括用于提高性能的專用指令集加速器。soc編程模型和外圍混合允許靈活地有效地支持這些標(biāo)準(zhǔn)的幾種格式。

例如，上面圖4中的DM320 SoC處理器有一個(gè)專用于視頻處理的片上Simd引擎（稱為iMX）。該硬件加速器可以執(zhí)行常見的視頻處理算法（離散余弦變換（DCT）、IDCT、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、運(yùn)動(dòng)相關(guān)等）

VLCD（可變長(zhǎng)度編碼/解碼）處理器用于支持可變長(zhǎng)度編碼和解碼以及JPEG、H.263、MPEG-1/2/4視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的量化。

如圖4所示，SoC解決方案包含適當(dāng)?shù)募铀贆C(jī)制、專用指令集、硬件協(xié)處理器等，它們提供了DSP應(yīng)用中重要算法的高效執(zhí)行。我們討論了視頻處理的一個(gè)例子，但是您會(huì)發(fā)現(xiàn)支持其他應(yīng)用程序（如無線基站和蜂窩手機(jī)）的機(jī)制是相同的。

總結(jié)

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