DSP/BIOS中的IO設備驅動編程技術

介紹了DSP/BIOS中I/O設備驅動程序的編寫,并給出了一個在TMS320C5402 DSK上開發語音處理程序的實例。

??? 關鍵詞：數字信號處理器（DSP） 實時操作系統 I/O設備驅動 應用程序接口（API）

近年來,隨著信息技術的飛速發展,DSP在航空、航天、雷達、通信、消費類電子設備等方面都得到了廣泛應用;同時,DSP的運算能力也越大越強大,TI公司新推出的TMS320C6400系列的運算能力可以達到8800MIPS。這些都要求開發DSP的應用程序要縮短開發時間,增加軟件的可編護性和可重用性。語音壓縮、語音識別、圖像處理等方面的應用要求DSP的開發盡可能簡單,還要求代碼的執行效率高。

DSP/BIOS是TI公司推出的一個實時操作系統。DSP/BIOS與TI的CCS（Code Composer Studio）集成在一起。目前最新的版本是CCS 1.2中的DSP/BIOS II。應用DSP/BIOS可以大大簡化DSP應用程序的開發和調試。與外部設備的I/O接口是DSP應用開發中不可缺少的重要部分。基于DSP/BIOS的I/O設備驅動將軟件與硬件分離,提高了軟件的可重用性,在軟件或硬件改動時可使相互的影響降為最小。

1 DSP/BISO操作系統簡介

DSP/BIOS實際上是一組可重復調用的系統模塊API的集合。只占用DSP很少的資源,可以滿足DSP實時運行時的調試性能分析,編寫高效的程序。例如,在TMS320C6211上運行printf()函數需花費4000個周期,而運行LOG_printf()只花費36個周期,可printf()要比LOG_pfrintf（）多花費100倍以上的時間。下面只對與I/O設備驅動有關的模塊作簡要介紹。

1.1 任務調度模塊（HWI/SWI/TSK）

在DSP/BIOS中,任務的調度是通過HWI、SWI和TSK三個模塊實現的。HWI（硬件中斷管理模塊）管理硬件中斷,主要負責DSP與外設的交互,從外設中讀寫數據。由于硬件中斷直接與硬件打交道,對應的中斷服務程序ISR應盡可能短小精焊。HWI不引起任務調度,它在處理完數據的輸入輸出后調用SWI_post()來調度相應的軟件中斷SWI完成數據處理工作。

DSP/BIOS提供兩類優先線程：SWI（軟件中斷管理模塊）和TSK（任務管理模塊）。SWI是DSP/BIOS任務調度的核心,SWI任務是搶斷式的,即高優先級的任務可以搶斷低優先級的任務。但是SWI任務是不可阻塞的,所有SWI任務共享一個堆棧,SWI任務只能在程序編制時預先定義好。DSP/BIOS中對任務的動態產生和對阻塞狀態的支持是通過TSK模塊來實現的。TSK也是可以搶斷的,但每個TSK任務使用獨立的堆棧。

1.2 通訊模塊（PIP/SIO）

PIP（帶緩沖管道管理模塊）和SIO（流輸入輸出管理模塊）是DSP/BIOS提供的兩個接口對象,用于支持DSP與外設之間 數據交換。PIP對象帶有一個緩沖隊列,可以執行帶緩沖的讀任務和寫任務。SIO沒有緩沖隊列,SIO的操作get()和put()在應用程序和驅動程序之間交換緩沖的指針,而不是數據的拷貝,因此執行效率比PIP高。

PIP和SIO對象支持基于幀的信號處理系統的實現。在多速率系統中需要使用優先級線程來統一端口通信,在其它需要處理不同尺寸、不同速率的幀的系統中,優先級線程也是必須的。PIP對象可被SWI或TSK線程使用,而SIO對象只能被TSK使用。

2 低級設備驅動（LIO）

LIO（Low Level I/O）是一組基于DSP/BIOS設計的API函數。它由控制函數、I/O緩沖區管理函數、信令函數組成,如表1所示。應用程序可以通過LIO函數控制一個或多個外設通道。

表1 LIO API函數

LIO函數不考慮數據的轉送方向,也就是說僅執行輸出設備、僅執行輸入設備和能執行輸入、輸出的設備執行的是同樣的函數。輸入與輸出之間的主要不同點是傳送到緩沖區隊列函數的參數意義不同。既然所有其它的操作都是同樣的,大多數控制代碼能在單個驅動程序中被所有通道共享。

2.1 總體設計、設想和命名規范

所有的驅動程序函數都不能設置成全局中斷。驅動程序應不影響全局中斷使能標記的狀態,僅影響由它控制的外設所能觸發的中斷所對應使能標記的狀態。這樣可以阻止一個驅動程序與其它驅動程序或應用程序爭奪CPU資源。

為了避免由不同驅動程序使用同一函數名引起的命名空間沖突,也為了改變驅動程序而不需再編譯應用程序代碼,可以通過函數表訪問驅動程序函數。用這種方式,僅需要為每個驅動程序定義一個外部符號。這種符號有其命名規范。此命名規范通過接線板、在片外設、LIO接口等來區分。如包含應用程序注釋的源代碼為TI TMS320VC5402 DSK的AD50音頻編解碼器執行基于DMA的驅動程序,驅動程序函數表名是DSK5402_DMA_AD50_TI_ILIO。

設備驅動程序支持的各通道半雙工（輸入或輸出）通道。每個函數對應一個通道變量。一個能執行輸入和輸出的物理設備,如連接到音頻編解碼器的DSP串口,可通過兩個半雙工通道（一個輸入,一個輸出）來訪問。一個驅動程序支持多少個物理設備和通道依具體實現而實。一般一個驅動程序應能控制一個物理設備,此設備可能有多個通道。通道號與物理設備通道的映射執行時確定。通道號應約定從0開始。對I/O設備,一般約定偶數號為輸入,奇數號為輸出。

2.2 三類函數

LIO接口中有三類函數：控制函數、緩沖區和隊列管理函數、信令函數。

2.2.1 控制函數

控制函數用來實現設備的啟動、關閉和控制。其初始函數為驅動程序保存資源（物理外設和內存）。它使用結構指針作為可選變量,此結構是一種設備的特殊變量結構。

2.2.2 隊列管理

假定每個設備至少有一個用來傳送數據的緩沖區。許多設備（如McBSP和DMA）帶有允許雙緩沖的緩沖隊列。圖1是一個有三個存儲單元的LIO驅動程序,驅動程序中有：由外設填滿或清空的緩沖區“todevice”（到設備）隊列,將傳送的緩沖區返回到應用程序的緩沖區管理程序的“from device”（來自設備）隊列和當前傳送數據的緩沖區。在虛線框里的認為是在驅動程序里面。當前傳送數據的緩沖一般由外設寄存器控制,如DMA源寄存器或目標寄存器,在圖1中畫在“外設”中。含硬件隊列（如DMA重新如載寄存器）的設備也會含一個或多個存儲單元用業存儲指針為以后傳送用,此隊列為“to device”隊列。能包含緩沖區指針的第三個存儲單元是“from device”隊列,在驅動程序中為一變量。當設備準備傳送緩沖區時,緩沖區從輸入隊列傳送到外設寄存器。這些緩沖區然后移到輸出隊列以完成傳送,作為對CPU中斷的響應。

PutBuf()將緩沖區從應用程序傳送到驅動程序的輸入隊列。GetBuf()從輸出隊列得到緩沖區。IsEmpty()和IsFull()返回輸入隊列、輸出隊列的狀態。如果輸入隊列滿,因為無空間裝新緩沖區,調用putBuf()會返回錯誤代碼。若IsFull()返回false,接下來可調用putBuf()。如果IsFull()返回true,但若在IsFull()返回true和調用putBuf()之間完成傳送,則調用putBuf()也可能會成功。

2.2.3 信令

如圖1所示,當傳送結束一般會觸發CPU中斷。此中斷會使應用程序將傳送的緩沖區轉移到輸出隊列,然后調用calback()傳到驅動程序。Callback()應向應用程序發信號告知傳送完畢。

3 LIO驅動程序例子

音頻處理如語音壓縮、呼叫過程音調檢測等,是DSP的一般應用。本例是使用TMS320C5402 DSK上的DMA將音頻編解碼數據從McBSP移到緩沖區中。

當驅動程序響應應用程序調用和設備中斷時,采用數據結構跟蹤驅動程序的狀態。有效狀態是設備驅動程序緩沖區隊列的狀態,如圖1所示。

圖2給出了此模式中最簡單的傳送狀態集。圓圈中單詞表示設備驅動程序緩沖區隊列的狀態。第一個單詞是“to device”隊列,第二個表示外設占用緩沖區指針,第三個是“from device”隊列,第二個表示外設占用緩沖區指針,第三個是“from device”隊列。E表示空,F表示滿,EEE是起始狀態。

每個隊列可以是空（E）,滿（F）,非空非滿（N）。應用程序調用PutBuf()將緩沖區放到“to device”隊列中。驅動程序立即將緩沖區放進外設,轉移到狀態“EFE”。當傳送完畢,外設向驅動程序發中斷信號,然后驅動中斷處理程序將緩沖區從外設寄存器轉移到“from device”隊列,轉移到狀態“EEF”,接著調用應用程序的回調函數。回調函數調用GetBuf（）從驅動程序的“from device”隊列重新得到緩沖區,驅動程序返回起始狀態。

如果驅動程序支持硬件排隊,則當一個緩沖區正由外設傳送時,“to device”隊列能控制另一個緩沖區。與圖2中狀態轉移不同,應用程序現在可能向“to device”隊列增加另一個緩沖區。驅動程序將此緩沖區指針存進一個隊列,此時狀態為“FFE”,“to device”隊列為滿,外設正在傳送一個緩沖區,“from device”隊列為空。使用C數據結構實現這種狀態機器的狀態向量。

使用DMA全局重新加載寄存器來控制“to device”隊列,狀態結構如下所示。

Typedef struct drv_state{

Bool enabled;

Ptr currentBuffer;

Uns currentSize;

Ptr fullBuffer;

Uns fullSize;

LIO_TcallBack callback;

Arg calbackArg;

} LIO_Obj;

第一個字段“enabled”是一個布爾值,表示程序的開始或結束。下面兩個字段“currentBuffer”“currentSize”控制當前傳送緩沖區的起始地址和尺寸。當傳送完畢,它們轉移到“from device”隊列。“fullBuffer”“fullSize”字段實現長度為1的“from device”隊列。Callback()的地址和參數通過setCallback（）存儲在狀態結構中。

驅程序對每個緩沖區只接收一個中斷,而不是每個采樣一個斷。發生中斷時,驅動程序已經知道緩沖區傳送完畢,重新加載,DMA不需再重新編程。中斷處理程序首先將currentBuffer內容移到fullBuffer中。如果緩沖區已在“to device”隊列中,即已使用重新加載的DMA,則新緩沖區指針和長度記錄進currentBuffer字段中,然后調用callback()。一旦定義了基本的狀態機器,相似硬件的新驅動程序就很容易寫出。