雙端口RAM實(shí)現(xiàn)ARM與DSP高速數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì) - 全文

　　摘 要：通過使用IDT70261 雙端口RAM 實(shí)現(xiàn)了ARM 與TMS320C6211 DSP 之間的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，給出了雙端口RAM 與TMS320C6211 和ARM 的硬件連接圖和ARM 驅(qū)動(dòng)編寫細(xì)節(jié)。

　　后PC 時(shí)代，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，利用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理與傳輸成為可能。在ARM 和DSP 構(gòu)成的雙處理器系統(tǒng)中，嵌入式作為主設(shè)備，主要完成數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)傳輸工作，而DSP 作為從設(shè)備需要負(fù)責(zé)復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)。

　　在此高速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中，隨著采樣數(shù)據(jù)量的增大和處理任務(wù)的增加，對(duì)數(shù)據(jù)的傳送要求越來越高，如果在兩個(gè)系統(tǒng)端口之間沒有能夠高速傳送數(shù)據(jù)的接口，將會(huì)造成數(shù)據(jù)傳送的阻塞，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與處理數(shù)據(jù)的能力，因此此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一是主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。本文介紹用雙端口RAMIDT70261 完成TMS320C6211DSP 與嵌入式ARM920T之間的數(shù)據(jù)通信。

　　1 IDT70261雙端口RAM功能簡(jiǎn)介

　　IDT70261 是美國(guó)IDT 公司生產(chǎn)的高速16K×16 的雙端口SRAM，其典型功耗為750mW，它具有兩個(gè)等級(jí)的存取時(shí)間：商業(yè)級(jí)有 15/20/25/35/55 ns （max），工業(yè)級(jí)有20/25/35/55ns （max）。雙端口RAM 有兩個(gè)完全獨(dú)立的端口，它們各自有一套相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，允許兩個(gè)控制器單獨(dú)或異步的讀寫其中任意一個(gè)存儲(chǔ)單元。兩個(gè)端口具有同樣的對(duì)雙端口RAM 的讀寫操作能力，但是當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)對(duì)同一地址進(jìn)行讀寫操作時(shí)，會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)的沖突而造成存儲(chǔ)或讀取的錯(cuò)誤。對(duì)同一存儲(chǔ)單元的操作存在以下四種情況：

　?。?） 兩個(gè)端口不同時(shí)對(duì)同一地址單元進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。

　?。?） 兩個(gè)端口同時(shí)對(duì)同一地址單元進(jìn)行讀出數(shù)據(jù)。

　?。?） 兩個(gè)端口同時(shí)對(duì)同一地址單元進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)。

　?。?） 兩個(gè)端口同時(shí)對(duì)一個(gè)地址單元，一個(gè)寫入數(shù)據(jù)，另一個(gè)讀出數(shù)據(jù)。

　　前兩種情況不會(huì)造成對(duì)雙端口RAM的讀寫錯(cuò)誤，第三種情況會(huì)造成寫入數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，第四種情況會(huì)造成讀出錯(cuò)誤。為了避免對(duì)雙端口RAM 造成讀寫錯(cuò)誤，IDT70261 有以下幾種仲裁控制方法。

　　1.1 遇忙邏輯控制

　　當(dāng)雙端口同時(shí)對(duì)同一地址單元進(jìn)行控制時(shí)，IDT70261 提供一種/BUSY 控制機(jī)制。雙端口不對(duì)同一地址單元進(jìn)行控制時(shí)，兩個(gè)端口的/BUSY 引腳都為高，左右兩個(gè)端口均可正常訪問存儲(chǔ)空間。當(dāng)兩個(gè)端口對(duì)同一地址單元進(jìn)行存取時(shí)，一個(gè)端口的/BUSY 引腳為高（允許對(duì)存儲(chǔ)空間的讀寫操作），另一個(gè)端口的引腳為低（禁止對(duì)存儲(chǔ)空間的讀寫操作），哪一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)在前，其端口引腳為高，另一個(gè)為低。兩個(gè)端口請(qǐng)求讀寫的時(shí)間差最小為5ns，當(dāng)時(shí)間小于5ns 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)允許一個(gè)引腳讀寫，屏蔽另外一個(gè)引腳，防止出現(xiàn)對(duì)同一地址單元的讀寫錯(cuò)誤。

　　1.2 中斷控制機(jī)制

　　IDT70261 具有中斷輸出功能，中斷工作時(shí)，雙端口RAM 的兩個(gè)最高地址單元3FFE、3FFF 作為“郵箱”來傳遞相應(yīng)的命令。當(dāng)中斷功能不使用時(shí)，3FFE、3FFF兩個(gè)單元作為正常的存儲(chǔ)單元使用。下面介紹中斷工作原理。

　　左端口寫地址單元3FFF，/INTR 變?yōu)橛行Вǖ碗娖剑蛴叶丝诎l(fā)送中斷請(qǐng)求，右端口響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，可向3FFF 地址單元執(zhí)行一次讀操作，清除中斷標(biāo)志（/INTR 變?yōu)楦唠娖剑?。同理，右端口寫地址單?FFE，/INTL 變?yōu)橛行Вǖ碗娖剑?，向左端口發(fā)送中斷請(qǐng)求，左端口響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，可向3FFE 地址單元執(zhí)行一次讀操作，清除中斷標(biāo)志（/INTL 變?yōu)楦唠娖剑?/p>

　　1.3 令牌傳遞原理

　　IDT70261 內(nèi)部有8 個(gè)獨(dú)立于雙端口RAM 的邏輯鎖存單元，用來標(biāo)明共享的雙端口RAM 是否正在使用。在此工作模式下，/SEM 用作鎖存器的“片選”信號(hào)，地址線A2~A0 用來尋址8 個(gè)標(biāo)志鎖存器，數(shù)據(jù)線D0用來標(biāo)志鎖存器的狀態(tài)。

　　端口向鎖存器寫入0 表示申請(qǐng)控制權(quán)，寫入1 表示放棄使用權(quán)。當(dāng)左端口要使用雙端口RAM 時(shí)，先寫入0 到標(biāo)志鎖存器，然后讀出標(biāo)志鎖存器的狀態(tài)，若讀出的值為0，則左端口獲得該存儲(chǔ)單元的使用權(quán)；若讀出的值為1，表明右端口正在使用該存儲(chǔ)單元。

　　此時(shí)，左端口要么循環(huán)檢測(cè)鎖存器狀態(tài)，直到右端口使用結(jié)束，要么向鎖存器寫入1，撤銷請(qǐng)求。同理，若右端口使用雙端口RAM 時(shí)，仍按照上述步驟進(jìn)行操作［1，2］。

　　2 基于IDT70261的接口電路

　　本系統(tǒng)為視頻數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，當(dāng)攝像頭采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP 壓縮編碼后輸入到雙端口RAM 芯片中，ARM 處理器接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸工作，最終將圖像經(jīng)過解碼顯示在終端PC 機(jī)上。

　　基于IDT70261 的接口電路圖如圖1 所示，此系統(tǒng)采用中斷控制機(jī)制，雙端口RAM 的一些功能引腳并不需要全部使用。雙端口RAM 的左端是ARM920T芯片，右端是TMS320C6211 DSP 芯片。雙端口RAM兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)線D0L-D15L 和D0R-D15R 分別與ARM920 芯片和DSP 芯片連接，地址線A0L-A13L 和A0R-A13R 也分別與上述兩芯片連接。/CE 為芯片使能引腳，R/W 為讀寫控制引腳，/OE 為輸出使能引腳，/INT 為中斷標(biāo)志引腳，/BUSY 為遇忙控制引腳，其連接電路如圖1 所示。

　　圖1 接口電路

　　3 數(shù)據(jù)通信的軟件實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)采用中斷控制方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)雙端口RAM的讀寫操作。DSP 主要負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)壓縮工作，壓縮后的數(shù)據(jù)傳送給雙端口RAM.傳送數(shù)據(jù)時(shí)，DSP 向信令字單元3FFF 寫入‘55H’，在ARM 方產(chǎn)生中斷后，ARM 讀信令字單元3FFF，如果是‘55H’，說明數(shù)據(jù)正在傳輸，讀完數(shù)據(jù)后，向信令字單元3FFE 寫入‘AAH’，代表讀完數(shù)據(jù)。DSP 接收到中斷后，讀信令字單元3FFEH，如果為‘AAH’，表示傳輸數(shù)據(jù)成功。

　　ARM完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，對(duì)雙端口RAM的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取然后經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳遞給PC 機(jī)，因此需要驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)雙端口RAM與ARM之間的數(shù)據(jù)通信。驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用程序與硬件之間的接口，用戶可以通過驅(qū)動(dòng)程序來間接的實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的讀寫控制操作。雙端口RAM 的驅(qū)動(dòng)程序主要任務(wù)是讀雙端口RAM 數(shù)據(jù)到用戶空間、把用戶空間命令寫入雙端口RAM 相應(yīng)地址以及相應(yīng)雙端口RAM 產(chǎn)生的中斷。在驅(qū)動(dòng)程序中，最主要的結(jié)構(gòu)便是file_operation，在里面包含了對(duì)文件的打開、關(guān)閉、讀寫和其他控制函數(shù)，file_operation 結(jié)構(gòu)如下：

　　在使用設(shè)備之前需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，包括配置ARM 接口寄存器、注冊(cè)設(shè)備、申請(qǐng)中斷和分配虛擬地址空間等。配置寄存器和注冊(cè)申請(qǐng)工作在加載模塊時(shí)實(shí)現(xiàn)，分配資源工作在dualram_open 函數(shù)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

　　配置接口寄存器，AT91RM9200 具有一個(gè)EBI 接口，可以方便的連接各種存儲(chǔ)設(shè)備，可以使用EBI 接口中的SMC 來控制讀寫，由CS4 接口來控制雙端口RAM 的使能信號(hào)，通過向相應(yīng)寄存器內(nèi)寫入控制字來實(shí)現(xiàn)ARM 對(duì)雙端口RAM 的端口初始化工作。

　　在初始化函數(shù)init_dualram 中，用register_chrdev將雙端口RAM 注冊(cè)為一個(gè)字符型設(shè)備，用request_irq為設(shè)備申請(qǐng)相應(yīng)的中斷資源，函數(shù)如下：

　　myirq=request_irq（AT91RM_IRQ1，dualport_inter，SA_INTERRUPT，“dualram”，NULL）

　　在裝載驅(qū)動(dòng)時(shí)進(jìn)行注冊(cè)和申請(qǐng)，在卸載模塊時(shí)必須進(jìn)行注銷，即在dualram_exit 內(nèi)執(zhí)行unregister_chrdev 和free_irq 來釋放資源。

　　Linux 無法直接訪問某一物理地址空間，必須通過虛擬地址空間的映射機(jī)制來完成訪問。映射工作在dualram_open 函數(shù)內(nèi)完成，因此每次打開設(shè)備都會(huì)完成此工作。所要用到的地址資源和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

　　#define dualram_base_addr 0x60000000

　　#define dualram_size ox3fff

　　u16 *remaddr

　　通過使用函數(shù)remaddr = ioremap （dualram_base_addr ，dualram_size）；進(jìn)行虛擬地址映射，此后就可以使用remaddr 來完成對(duì)實(shí)際雙端口RAM 空間的訪問了。

　　為了有效的提高數(shù)據(jù)傳輸效率，驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間采用異步通知的機(jī)制，這樣上層應(yīng)用程序便可以知道RAM 中的數(shù)據(jù)量是否達(dá)到閾值，而不用采用輪詢的方式，占用處理器資源。異步通知機(jī)制分三步完成，首先需要讓內(nèi)核知道驅(qū)動(dòng)程序與哪個(gè)進(jìn)程通信，當(dāng)進(jìn)程使用系統(tǒng)函數(shù)fcntl 執(zhí)行F_SETOWN 命令時(shí)，設(shè)備文件擁有者（owner）的ID 號(hào)會(huì)被記錄在flip-》f_owner 中，此時(shí)內(nèi)核知道了與驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信的進(jìn)程，然后應(yīng)用程序調(diào)用fcntl 的F_SETFL 命令來激活異步通知機(jī)制，這樣新數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)輸入文件便可發(fā)送一個(gè)SIGIO 信號(hào)到flip-》f_owner 中指定的進(jìn)程。

　　圖像數(shù)據(jù)到達(dá)后，Linux 內(nèi)的應(yīng)用程序完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫操作，寫操作函數(shù)為：dualram_write，就是利用copy_from_user 把用戶空間的數(shù)據(jù)寫入到雙端口RAM中，讀操作函數(shù)：dualram_read，就是利用copy_to_user把雙端口RAM 中的數(shù)據(jù)讀入到用戶空間中［5，7］。

　　4 測(cè)試結(jié)果

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境是ARM 920T 與TMS320C6211 通過網(wǎng)絡(luò)與PC 互連構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的局域網(wǎng)。通過網(wǎng)絡(luò)抓包軟件可以統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，通過CCS 分析工具分析系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)的量化階距越高，圖像的壓縮比率越大，所獲得的圖像質(zhì)量越差，本系統(tǒng)設(shè)置的量化階距設(shè)置為75.經(jīng)測(cè)試本系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：圖像的壓縮格式為JPEG，分辨率為BMP（240×160），最大編碼速度為15 幀/秒，數(shù)據(jù)流量為50-200kbps，網(wǎng)絡(luò)采用UDP/IP 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)接口為RJ-45 100Mbps.

　　5 結(jié)語

　　本文結(jié)合了嵌入式圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了通過雙端口RAM 實(shí)現(xiàn)ARM920T 與 TMS320C6211 DSP 之間的通信。利用雙端口RAM 的強(qiáng)大功能可以實(shí)現(xiàn)各種形式的處理器之間的高速數(shù)據(jù)通信。在信號(hào)處理領(lǐng)域和高速數(shù)據(jù)采集中，利用雙端口RAM的幾種不同仲裁機(jī)制，可以完成不同的數(shù)據(jù)傳送要求。用它構(gòu)成的接口電路具有傳送速率高、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。