OMAPL138雙核系統(tǒng)的調(diào)試方案設(shè)計(jì)

欒小飛

（電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 611731）

1 雙核調(diào)試?yán)щy

雙核芯片的推出為兼顧強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和良好的用戶體驗(yàn)提供了解決方案，將雙CPU集成在一個(gè)芯片上也簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)的難度。但是，雙核開(kāi)發(fā)增加了軟件設(shè)計(jì)的難度。以往的ARM工程師與DSP算法工程師的明確分工已經(jīng)不能適用于雙核芯片的開(kāi)發(fā)，需要在雙核芯片的同步運(yùn)行上提供一些解決方案。開(kāi)發(fā)工程師在進(jìn)行雙核開(kāi)發(fā)中會(huì)遇到調(diào)試方面的困難，以往的CCS和仿真器的調(diào)試方式已經(jīng)不適用于雙核環(huán)境下對(duì)DSP程序的調(diào)試。DSP端的程序運(yùn)行，無(wú)法直觀地提供調(diào)試信息給開(kāi)發(fā)者，相當(dāng)于一個(gè)“黑匣子”，以至于開(kāi)發(fā)者無(wú)法獲取DSP端寄存器和變量的變化情況。本文通過(guò)推出基于DSPLink軟件模塊的消息隊(duì)列組件，使DSP調(diào)試信息通過(guò)ARM端應(yīng)用程序打印。

2 雙核通信理論

TI公司推出的OMAP體系結(jié)構(gòu)與其推出的達(dá)芬奇結(jié)構(gòu)有相似之處，OMAP體系開(kāi)發(fā)套件與達(dá)芬奇套件有很大的相似性，而達(dá)芬奇處理器最具革命性的意義在于它的全平臺(tái)開(kāi)放。TI提供了全套開(kāi)發(fā)套件，給工程師們?cè)陂_(kāi)發(fā)上提供了便利性和規(guī)范。開(kāi)發(fā)套件中，基于雙核通信的底層為DSPLink模塊，為核心模塊。

2.1 DSPLink雙核通信構(gòu)架

在OMAP體系中，芯片設(shè)計(jì)時(shí)，在片內(nèi)分配一塊RAM內(nèi)存區(qū)域，是ARM和DSP都可以直接使用的共享內(nèi)存區(qū)域。在小數(shù)據(jù)量的簡(jiǎn)單的控制信息通信時(shí)，可以直接使用片內(nèi)的共享內(nèi)存，通信速率也是最快的。同時(shí)還有將共享內(nèi)存分配在片外的DDR，以便進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸。

DSPLink為T(mén)I針對(duì)雙核通信的底層模塊，在ARM端和DSP端具有相似的作用，在ARM端Linux嵌入式操作系統(tǒng)中作為L(zhǎng)inux的內(nèi)核模塊存在，扮演著設(shè)備驅(qū)動(dòng)的角色，通過(guò)驅(qū)動(dòng)提供的眾多上層API接口直接操作共享內(nèi)存。在DSP端其連接的是TI推出的主要用于DSP的一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP／BIOS，同樣作為驅(qū)動(dòng)存在。采用DSPLink軟件方法將物理層抽象出來(lái)，為硬件提供了十分優(yōu)秀的擬合，使ARM和DSP在通信上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的鏈接。DSPLink的軟件構(gòu)架如圖1所示。

圖1 DSPLink的軟件構(gòu)架

（1）在GPP端

GPP OS：在GPP端多采用操作系統(tǒng)，比較常用的是嵌入式操作系統(tǒng)Linux和 WinCE，TI的DVSDK中有相關(guān)的支持。

OS抽象層：OS抽象層包含了DSPLink需要的一些通用的OS服務(wù)部件，通過(guò)此層使DSPLink可以不依賴特定的操作系統(tǒng)，從而可以利用接口特性更多地針對(duì)不同的操作系統(tǒng)使用，使開(kāi)發(fā)者方便地移植到不同操作系統(tǒng)中。

Link Driver：GPP端的驅(qū)動(dòng)層，該層提供了共享內(nèi)存的GPP端的驅(qū)動(dòng)。

Processor Manager：該層維護(hù)一個(gè)針對(duì)所有模塊的Book－Keeping信息，通過(guò)API給用戶提供通過(guò)Link Driver的控制操作。

DSP／BIOS Link：通過(guò)API可以脫離對(duì)底層的了解，直接操作共享內(nèi)存，以實(shí)現(xiàn)通信。

（2）在DSP端

DSP Link Driver：Link Driver是DSP／BIOS中驅(qū)動(dòng)的一部分，該部分驅(qū)動(dòng)只負(fù)責(zé)基于物理連接之上與GPP之間的交互。

DSP／BIOS：DSP端的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

2.2 MSGQ通信搭建方法

雙核通信的基本模式即是一方將所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放到共享內(nèi)存中，通過(guò)中斷的方式告知另一方。作為DSPLink中不同的通信模塊，存在的不同只是對(duì)共享內(nèi)存的組織方式不同。下面以MSGQ傳輸方式為例分析建立雙核通信構(gòu)架。

MSGQ表述消息隊(duì)列方式，主要針對(duì)ARM和DSP端可變長(zhǎng)度的短消息的交互，是基于DSP／BIOS的MSGQ模塊實(shí)現(xiàn)的。消息的發(fā)送／接收都要以隊(duì)列的方式進(jìn)行。消息的發(fā)送者將消息發(fā)送入隊(duì)列中，隨后接收者從隊(duì)列中將消息取出。每個(gè)消息隊(duì)列只能有一個(gè)接收者，但是可以同時(shí)有多個(gè)發(fā)送者。在一個(gè)任務(wù)中，可以進(jìn)行多個(gè)消息隊(duì)列的讀寫(xiě)。使用MSGQ進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸還需要用到另外兩個(gè)組件：

①PROC，在GPP應(yīng)用中模擬DSP角色，控制DSP程序的載入、運(yùn)行、停止。

②POOL，用于分配存儲(chǔ)器緩沖區(qū)，將內(nèi)存合理分塊，使分配所需內(nèi)存適合傳輸數(shù)據(jù)的尺寸。

利用這兩個(gè)組件，將完成DSP程序的載入啟動(dòng)和內(nèi)存池的分配。

MSGQ通信流程如圖2所示。

圖2 MSGQ通信流程

GPP端按如下順序開(kāi)通消息隊(duì)列：

①PROC＿setup（）。采用ARM端應(yīng)用程序載入DSP程序到DSP中運(yùn)行的方法啟動(dòng)DSP，由于PROC組件被用于模擬DSP，首先要針對(duì)PROC進(jìn)行創(chuàng)建和初始化。

② PROC＿attach（processorId，NULL）。在 DSP端運(yùn)行之前，需要建立與GPP端通信的DSP的關(guān)聯(lián)，其中指定的processorId為與之通信的DSP的編號(hào)，防止ARM與多DSP通信時(shí)造成連接混亂。

③ POOL＿open（POOL＿makePoolId（processorId，POOL＿ID），＆SamplePoolAttrs）。打開(kāi)共享內(nèi)存池，內(nèi)存緩沖區(qū)同樣需要一個(gè)ID來(lái)進(jìn)行不同的分工。Sample－PoolAttrs用來(lái)指定緩沖區(qū)大小、buffer個(gè)數(shù)等屬性。

④ MSGQ＿open（SampleGppMsgqName，＆Sample－GppMsgq，NULL）。在進(jìn)行MSGQ通信之前的一個(gè)前提是處理器雙方都需要各自打開(kāi)一個(gè)消息隊(duì)列，每個(gè)消息隊(duì)列擁有各自的name，只有當(dāng)連接方提出的name與消息隊(duì)列的name相吻合的時(shí)候，消息隊(duì)列才得到建立。利用該API打開(kāi)消息隊(duì)列，SampleGppMsgqName指代的是GPP端消息隊(duì)列的name。

⑤ PROC＿load（processorId，（Char8＊）＆imageInfo，numArgs，args）。將編譯好的DSP程序載入DSP中，相關(guān)參數(shù)為DSP的編號(hào)、DSP可運(yùn)行程序名字、參數(shù)的個(gè)數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。

⑥PROC＿start（processorId）。開(kāi)始運(yùn)行編號(hào)為processorId的DSP。

⑦ MSGQ＿locate（dspMsgqName，＆SampleDspMsgq，＆syncLocateAttrs）。等待需要建立的消息隊(duì)列打開(kāi)。由于通信時(shí)需要將一條消息隊(duì)列的兩個(gè)端口都關(guān)聯(lián)到指定的處理器，只有name為dspMsgqName的消息隊(duì)列一邊已經(jīng)打開(kāi)后，才能連接指定要連接的消息隊(duì)列，該消息隊(duì)列才真正建立起來(lái)，并進(jìn)行通信。該接口函數(shù)與MSGQ＿open相呼應(yīng)。syncLocateAttrs為指定等待的相關(guān)屬性，例如指定該屬性為syncLocateAttrs.timeout＝ WAIT＿FOREVER時(shí)，程序一旦運(yùn)行到此函數(shù)處，如果另一方處理器還沒(méi)有MSGQ＿open的name為dspMsgqName的消息隊(duì)列，便會(huì)阻塞在此處，直到打開(kāi)為止。至此GPP端的消息隊(duì)列已經(jīng)完成設(shè)置，等待DSP端消息隊(duì)列的建立。

DSP端按如下順序開(kāi)通隊(duì)列：

①建立TASK任務(wù)。由于DSPLink是基于處理器兩端操作系統(tǒng)進(jìn)行的連接，因此，在DSP端同樣必須采用操作系統(tǒng)作為通信的媒介，采用DSP／BIOS操作系統(tǒng)，以任務(wù)的形式運(yùn)行程序。

②創(chuàng)建和初始化MSGQ傳輸屬性。在進(jìn)行MSGQ的創(chuàng)建打開(kāi)之前，要先指定MSGQ的相關(guān)屬性。

③ MSGQ＿open（（String）dspMsgQName，＆info－﹥localMsgq，＆msgqAttrs）創(chuàng)建DSP端消息隊(duì)列，原理如同GPP端。

④ MSGQ＿locate（GPP＿M(jìn)SGQNAME，＆info－﹥locatedMsgq，＆syncLocateAttrs）等待連接GPP端打開(kāi)的消息隊(duì)列，原理如同GPP端。

⑤當(dāng)GPP和DSP端消息隊(duì)列都建立完畢，并且關(guān)聯(lián)，通信即建立，可以采用 MSGQ＿put和 MSGQ＿get發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3 基于MSGQ雙核調(diào)試方案

MSGQ組件在實(shí)際的應(yīng)用中因其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的可變性，對(duì)DSP端應(yīng)用程序的調(diào)試提供了強(qiáng)大的解決方案。通過(guò)MSGQ的分析可以發(fā)現(xiàn)，采用ARM和DSP端聯(lián)合，通過(guò)log打印的方式可以方便地對(duì)DSP端的運(yùn)行情況進(jìn)行一定的了解。

在GPP端和DSP端應(yīng)用程序中建立獨(dú)立線程和任務(wù)。由于只需要將DSP信息傳輸?shù)紾PP端而不需要GPP端的反饋信息，因此只需要設(shè)計(jì)單向傳輸，創(chuàng)建一條消息隊(duì)列即可。當(dāng)DSP端運(yùn)行到需要打印的信息時(shí)，將消息暫存于指定的內(nèi)存空間，當(dāng)任務(wù)切換到調(diào)試任務(wù)時(shí)，將暫存的消息發(fā)送到GPP端，GPP端接收到消息后在終端打印。調(diào)試建立流程如圖3所示。

3.1 DSP端

（1）消息結(jié)構(gòu)

（2）發(fā)送端初始化

（3）消息創(chuàng)建和發(fā)送

（4）釋放內(nèi)存

釋放內(nèi)存主要采用 MSGQ＿release（DebugMsgq），進(jìn)行消息隊(duì)列的釋放。

3.2 GPP端

GPP端的消息結(jié)構(gòu)與DSP端相同。

圖3 調(diào)試建立流程

（1）線程建立和隊(duì)列建立

（2）信息接收

（3）釋放內(nèi)存

主要采用MSGQ＿Close（GppMsgq）；釋放建立的消息隊(duì)列。

根據(jù)圖3，在DSP端，首先需要建立調(diào)試打印任務(wù)并且為所需要傳輸?shù)膌og長(zhǎng)度分配內(nèi)存空間，隨后在log發(fā)送端初始化中進(jìn)行 MSGQ的定位 MSGQ＿locate（），通過(guò)定位將指定連接DSP與GPP端的消息傳輸隊(duì)列。消息就通過(guò)此隊(duì)列進(jìn)行傳輸，采用 MSGQ＿put（）將DSP端的調(diào)試信息發(fā)送到GPP端。在多次傳輸調(diào)試信息后，占用過(guò)多的內(nèi)存空間會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄露。為防止這種狀況的發(fā)生，要在傳輸完畢后進(jìn)行空間的釋放，在下次傳輸時(shí)再重新創(chuàng)建。雖然這會(huì)影響到傳輸時(shí)間，但是為了內(nèi)存空間更加便利安全的管理，在傳輸結(jié)束后應(yīng)立即釋放。

在GPP端，為了使MSGQ調(diào)試程序與主程序的運(yùn)行互不干擾，創(chuàng)建單獨(dú)線程進(jìn)行調(diào)試使用。在接收內(nèi)存空間分配好后，采用 MSGQ＿open（）打開(kāi)已經(jīng)創(chuàng)建的 MSGQ，使用MSGQ＿get（）消息接收。在接收完調(diào)試信息后，可以直接利用printf將調(diào)試信息通過(guò)串口打印在調(diào)試工具上。GPP端打印完成后，同樣需要對(duì)分配內(nèi)存空間進(jìn)行釋放。至此完成調(diào)試。

該調(diào)試方法同樣存在著缺陷：DSP端正在運(yùn)行的任務(wù)無(wú)法直接顯示消息，需要將消息暫存，隨后進(jìn)行任務(wù)切換傳輸，因此無(wú)法即時(shí)進(jìn)行調(diào)試信息的顯示。但對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，常常只是需要知道變量的數(shù)值或者程序運(yùn)行的進(jìn)度，所以此缺陷不會(huì)成為影響調(diào)試的大障礙，可以接受。

4 測(cè)試驗(yàn)證

采用DVSDK中提供的example進(jìn)行更改，更改上述調(diào)試模塊，對(duì)MSGQ的雙核調(diào)試信息進(jìn)行測(cè)試，打印出通過(guò)與EMIFA相連接的LED的值，如圖4所示。

圖4 調(diào)試模塊測(cè)試

采用insmod dsplinkk.ko將編譯好的內(nèi)核模塊加載進(jìn)系統(tǒng)中，然后利用GPP端應(yīng)用程序載入DSP端應(yīng)用，在DSP端中，將string為“l(fā)ed test reg＝”作為msg－＞str參數(shù)，將控制LED的寄存器作為arg［］參數(shù)，傳入GPP端打印出來(lái)。

結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)OMAP雙核體系分析了在TI雙核體系中雙核進(jìn)行通信的方式，又分析了DVSDK中雙核通信底層模塊DSPLink在Linux操作系統(tǒng)中的搭建和以MSGQ通信時(shí)的過(guò)程。雙核體系硬件擬合性好，功耗低，有很好的應(yīng)用前景。針對(duì)的雙核開(kāi)發(fā)過(guò)程中調(diào)試難的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了log打印的調(diào)試方式，在實(shí)際的應(yīng)用中有較大的意義。

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