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基于DSP的HPI接口的视频数据传输系统设计方案解析
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2017-10-25
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引 言
在视频监控、远程视频播放等系统中，通常需要将视频图形数据通过网络传输到远程处理机上。作为数字信号处理专用处理器，DSP虽然在视频压缩等方面有很大的优势，但对诸如任务管理，网络通信等功能的实现较困难。运行于通用嵌入式处理器的Linux操作系统，开源，可以根据需要修改内核，支持各种网络协议，并且其任务调度机制性能卓越。综合二者的优点，嵌入式视频平台可以由DSP完成图形处理功能，并通过高速接口把视频数据传输给嵌入式微处理器，然后由嵌入式Linux系统完成网络传输功能。
目前DSP与微处理器之间的高速通信方式有以下几种：共享内存，此种技术对软硬件的设计要求都非常高，同样效率也最高；通用高速总线接口，如PCI、 USB等，这种类型的通信方式采用复杂的链路协议，软件设计困难；专用接口，如TI公司DSP提供的HPI（Host Port Inter-face）。本文研究了TMS320E）M642的HPI接口，并提出一种在TMS320DM642和AT91RM9200间高速通信的软硬件实现方案。通过HPI接口，TMS320DM642可以高速地将实时视频数据传输给AT91RM9200；在AT91RM9200上，Lnux驱动实现存储器映射I／O和物理内存重映射，避免了视频数据在应用程序与内核之间的二次拷贝，提高了应用程序的网络发包效率。
1 HPI接口硬件设计
HPI是一种并行接口，支持32位（HPl32）和16位（HPll6）数据总线，通过HPI的数据寄存器（HPIDA、HlPIDF），ARM可以间接存取DSP的存储空间。在DSP内部，数据从存储单元到HPI数据寄存器的传输，是由EDMA（增强DMA）控制器完成的。
HPI控制器的外围引脚包括HD［0-31］、数据总线。HCNTL［O-1］是寄存器访问控制线，HPI控制器有4个寄存器，通过这两根控制线，DSP 可以确定ARM要访问的寄存器。其中，HPIA地址寄存器，存放当前访问单元的地址；HPIC为控制寄存器，实现各种控制命令；HPIDA自增长数据寄存器，每访问一次该寄存器HPIA的内容加4；HPIDF固定地址数据寄存器，与HPIDA不同之处在于，访问该寄存器后HPIA的内容不变。HHWIL，高低位访问控制线，它只用于HPll6模式中，该控制引脚决定寄存器的高或低16位被主机访问。HR／nW，HPI控制器4个寄存器的读写控制线。 HDSl、HDS2和HCS，其中HDSl、HDS2可连接ARM的读、写控制线，HCS连接ARM的nCS7片选线，三者在DSP内部组合形成一个 HSTROBE信号，当HCS低有效并且HDSl或HDS2的读或写低有效，决定数据寄存器（HPIDA、HPIDF）的读或写操作。HAS，地址锁存线，当主机的地址线与数据线复用时，主机可用该控制线通知。DSP锁存地址；其他不用该控制线情况时，应接高电平。nHRDY，DSP输出线，表示HPI 总线是否可访问。nHINT，中断输出线，用于中断ARM。
DSP与ARM接口威廉希尔官方网站 如图1所示。采用HPI16模式，16根数据线通过16245数据隔离器接到ARM数据总线的低16位，将HPI的片选空间置于 ARM的nCS7片选线上，HR／nW读写信号经反向器接到ARM的AB4地址线，HCNTL［O-1］与ARM的地址线AB［2-3］相连，则HPI的 4个寄存器的读基地址为0x80000000，写基地址为0x80000010。在ARM端从这两个地址开始访问，相应地对HPI 4个寄存器访问。
ARM通过HPI读写DSP数据空间，须按以下三步顺序执行：首先，对HPIC寄存器初始化，主要针对HPI16模式最低位HWOB位设置，决定数据传输格式是按高半字在前（设置为0），还是低半字在前（设置为1），该位对于HPI32模式无效，可不设置；然后，对HPIA寄存器初始化，设置访问单元的地址；最后通过读写数据寄存器（HPIDA、HPIDF）实现数据读写操作，其中读写HPIDA寄存器是完成连续地址单元读写操作，读写HPIDF寄存器是完成固定地址单元读写操作。注意，在ARM读写的过程中，如果DSP的nHRDY控制线一直为高，表示HPI数据总线未准备好，ARM的读写操作必须等待；当nHRDY为低后，ARM才继续向下执行指令。
2 Linux驱动设计
Linux虽然是一种整体式操作系统，但允许在运行时动态加载或删除功能模块。这个特点方便了驱动功能模块的开发。Linux系统支持两种模块调用方式：一种是静态编译，直接编译进内核，在系统启动时就运行；另外一种是动态加载，在内核运行时，用insmod／rmmod实现模块的加载和删除功能。在嵌入式系统开发中，一般采用动态加载方式，避免了系统频繁重启。当最终发布产品时，可以把模块直接编译进内核。这种处理方式比较简单，且效率高。
Linux系统中，内存地址主要涉及以下几个概念：物理地址、内核虚拟地址（包括内核逻辑地址）和进程虚拟地址。在内核层，当内核要访问某内存空间时，用的是内核虚拟地址，再由MMU（存储器管理单元）将内核虚拟地址转换为物理地址。采用虚拟内存技术，每个进程都有互不干涉的虚拟空间。三者直接映射的关系如图2所示，其中内核函数zap_page_range完成去掉物理地址与进程虚拟地址映射关系的功能。
在视频监控、远程视频播放等系统中，通常需要将视频图形数据通过网络传输到远程处理机上。作为数字信号处理专用处理器，DSP虽然在视频压缩等方面有很大的优势，但对诸如任务管理，网络通信等功能的实现较困难。运行于通用嵌入式处理器的Linux操作系统，开源，可以根据需要修改内核，支持各种网络协议，并且其任务调度机制性能卓越。综合二者的优点，嵌入式视频平台可以由DSP完成图形处理功能，并通过高速接口把视频数据传输给嵌入式微处理器，然后由嵌入式Linux系统完成网络传输功能。
目前DSP与微处理器之间的高速通信方式有以下几种：共享内存，此种技术对软硬件的设计要求都非常高，同样效率也最高；通用高速总线接口，如PCI、 USB等，这种类型的通信方式采用复杂的链路协议，软件设计困难；专用接口，如TI公司DSP提供的HPI（Host Port Inter-face）。本文研究了TMS320E）M642的HPI接口，并提出一种在TMS320DM642和AT91RM9200间高速通信的软硬件实现方案。通过HPI接口，TMS320DM642可以高速地将实时视频数据传输给AT91RM9200；在AT91RM9200上，Lnux驱动实现存储器映射I／O和物理内存重映射，避免了视频数据在应用程序与内核之间的二次拷贝，提高了应用程序的网络发包效率。
1 HPI接口硬件设计
HPI是一种并行接口，支持32位（HPl32）和16位（HPll6）数据总线，通过HPI的数据寄存器（HPIDA、HlPIDF），ARM可以间接存取DSP的存储空间。在DSP内部，数据从存储单元到HPI数据寄存器的传输，是由EDMA（增强DMA）控制器完成的。
HPI控制器的外围引脚包括HD［0-31］、数据总线。HCNTL［O-1］是寄存器访问控制线，HPI控制器有4个寄存器，通过这两根控制线，DSP 可以确定ARM要访问的寄存器。其中，HPIA地址寄存器，存放当前访问单元的地址；HPIC为控制寄存器，实现各种控制命令；HPIDA自增长数据寄存器，每访问一次该寄存器HPIA的内容加4；HPIDF固定地址数据寄存器，与HPIDA不同之处在于，访问该寄存器后HPIA的内容不变。HHWIL，高低位访问控制线，它只用于HPll6模式中，该控制引脚决定寄存器的高或低16位被主机访问。HR／nW，HPI控制器4个寄存器的读写控制线。 HDSl、HDS2和HCS，其中HDSl、HDS2可连接ARM的读、写控制线，HCS连接ARM的nCS7片选线，三者在DSP内部组合形成一个 HSTROBE信号，当HCS低有效并且HDSl或HDS2的读或写低有效，决定数据寄存器（HPIDA、HPIDF）的读或写操作。HAS，地址锁存线，当主机的地址线与数据线复用时，主机可用该控制线通知。DSP锁存地址；其他不用该控制线情况时，应接高电平。nHRDY，DSP输出线，表示HPI 总线是否可访问。nHINT，中断输出线，用于中断ARM。
DSP与ARM接口威廉希尔官方网站 如图1所示。采用HPI16模式，16根数据线通过16245数据隔离器接到ARM数据总线的低16位，将HPI的片选空间置于 ARM的nCS7片选线上，HR／nW读写信号经反向器接到ARM的AB4地址线，HCNTL［O-1］与ARM的地址线AB［2-3］相连，则HPI的 4个寄存器的读基地址为0x80000000，写基地址为0x80000010。在ARM端从这两个地址开始访问，相应地对HPI 4个寄存器访问。
ARM通过HPI读写DSP数据空间，须按以下三步顺序执行：首先，对HPIC寄存器初始化，主要针对HPI16模式最低位HWOB位设置，决定数据传输格式是按高半字在前（设置为0），还是低半字在前（设置为1），该位对于HPI32模式无效，可不设置；然后，对HPIA寄存器初始化，设置访问单元的地址；最后通过读写数据寄存器（HPIDA、HPIDF）实现数据读写操作，其中读写HPIDA寄存器是完成连续地址单元读写操作，读写HPIDF寄存器是完成固定地址单元读写操作。注意，在ARM读写的过程中，如果DSP的nHRDY控制线一直为高，表示HPI数据总线未准备好，ARM的读写操作必须等待；当nHRDY为低后，ARM才继续向下执行指令。
2 Linux驱动设计
Linux虽然是一种整体式操作系统，但允许在运行时动态加载或删除功能模块。这个特点方便了驱动功能模块的开发。Linux系统支持两种模块调用方式：一种是静态编译，直接编译进内核，在系统启动时就运行；另外一种是动态加载，在内核运行时，用insmod／rmmod实现模块的加载和删除功能。在嵌入式系统开发中，一般采用动态加载方式，避免了系统频繁重启。当最终发布产品时，可以把模块直接编译进内核。这种处理方式比较简单，且效率高。
Linux系统中，内存地址主要涉及以下几个概念：物理地址、内核虚拟地址（包括内核逻辑地址）和进程虚拟地址。在内核层，当内核要访问某内存空间时，用的是内核虚拟地址，再由MMU（存储器管理单元）将内核虚拟地址转换为物理地址。采用虚拟内存技术，每个进程都有互不干涉的虚拟空间。三者直接映射的关系如图2所示，其中内核函数zap_page_range完成去掉物理地址与进程虚拟地址映射关系的功能。
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