同時(shí)處理MCU和DSP的任務(wù)的嵌入式媒體處理器

處理器通常作爲(wèi)其一項(xiàng)基本功能執(zhí)行資料讀取操作。雖然這通常是傳送資料效率最低的機(jī)構(gòu)，但它是最簡(jiǎn)單的編程方式。小容量、快速方便的記憶體有時(shí)可以用來作爲(wèi)L1資料記憶體的一部分，但對(duì)于較大容量、片外緩沖器，如果內(nèi)核要從外部記憶體讀取所有資料，那麼訪問時(shí)間就長(zhǎng)得難以忍受。內(nèi)核不僅要花掉多個(gè)時(shí)鐘周期去取資料，而且它要花很多時(shí)間忙于讀取資料。在多媒體和其他大量資料操作應(yīng)用中，要不斷地將大量資料存儲(chǔ)移入或移出SDRAM，內(nèi)核的讀取資料操作是無法應(yīng)付這種情況的。雖然內(nèi)核的讀取資料操作總是需要的，但爲(wèi)了維持性能，一定要使用DMA或快取記憶體傳送大量的資料。

使用DMA管理資料

為了在多媒體系統(tǒng)中有效地利用DMA，應(yīng)該有足夠多的DMA通道以充分支援處理器的周邊電路，即可以同時(shí)傳送一對(duì)以上的記憶體與DMA之間的資料流程。這一點(diǎn)很重要，因爲(wèi)考慮到在外部記憶體和L1記憶體之間傳送用于內(nèi)核處理的資料塊的同時(shí)，必然有一個(gè)原始的多媒體資料也會(huì)進(jìn)入外部記憶體(通過高速周邊設(shè)備)。進(jìn)一步地，DMA引擎允許周邊電路與外部記憶體之間的直接資料傳送，而無需在L1記憶體內(nèi)有一個(gè)“中間停留”，因此在大量資料演算法中可以節(jié)省外部資料傳送。

隨著資料傳輸速率和性能要求的提高，設(shè)計(jì)工程師能隨意對(duì)“系統(tǒng)性能調(diào)節(jié)”控制就變得非常關(guān)鍵。例如，優(yōu)化DMA控制器以使每個(gè)時(shí)鐘周期都可傳送一個(gè)資料字。當(dāng)向同一方向同時(shí)傳送多個(gè)資料流程時(shí)(例如，從內(nèi)部記憶體向外部記憶體傳送全部資料)，這通常是最有效的操縱控制器的方式，因爲(wèi)這種方法可以防止DMA匯流排有空閑時(shí)間。

但是當(dāng)傳送多個(gè)雙向視頻和音頻資料流程時(shí)，必須使用“業(yè)務(wù)量控制”，以防止一個(gè)資料流程獨(dú)占匯流排。例如，如果DMA控制器總是把DMA匯流排連接到任何一個(gè)準(zhǔn)備每次傳送一個(gè)資料字的周邊電路(例如，連接到一個(gè)SDRAM)，一個(gè)，那麼總的資料吞吐率會(huì)降低。在這種情況中，幾乎每一個(gè)時(shí)鐘周期資料傳送都改變一次方向，因此在SDRAM匯流排上與來回切換時(shí)間相關(guān)的等待時(shí)間將顯著降低吞吐率。這樣，具有一個(gè)通道可編程傳送資料字長(zhǎng)度的DMA控制器比那種具有固定傳送長(zhǎng)度的控制器有明顯的優(yōu)點(diǎn)。因爲(wèi)每個(gè)DMA通道都可以將一個(gè)周邊設(shè)備與外部或內(nèi)部記憶體相連，所以它還具有的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它能自動(dòng)地連接到一個(gè)能發(fā)出緊急匯流排請(qǐng)求的周邊設(shè)備。

另一個(gè)特性即二維DMA性能，具有幾種系統(tǒng)級(jí)優(yōu)點(diǎn)。第一，它允許以一種比較直觀的處理順序?qū)①Y料放入記憶體。例如，亮度和色度資料從一個(gè)圖像感測(cè)器相繼傳來，但可將它們自動(dòng)存入各自的記憶體緩沖塊。二維DMA的交錯(cuò)和去交錯(cuò)功能在處理視頻和圖像資料之前節(jié)省了多余的記憶體匯流排傳送。另外，通過有選擇性地進(jìn)行傳送，即只選擇需要的輸入圖像資料塊而不是全部圖像資料，二維DMA也能夠使系統(tǒng)的資料帶寬最小。

其他的重要DMA特性包括爲(wèi)滿足當(dāng)前的周邊設(shè)備任務(wù)請(qǐng)求區(qū)分DMA通道優(yōu)先等級(jí)的能力，以及爲(wèi)匹配這些優(yōu)先順序設(shè)置相應(yīng)的DMA中斷的能力。這些功能有助于確保資料緩沖器不會(huì)因DMA忙于其他周邊設(shè)備而溢出，并且它們還使程式設(shè)計(jì)工程師在每個(gè)DMA通道的資料流程通基礎(chǔ)上優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)性能時(shí)具有更大的自由度。

因爲(wèi)內(nèi)部記憶體通常分爲(wèi)幾個(gè)子存儲(chǔ)塊，所以DMA控制器和內(nèi)核同時(shí)存取向不同子存儲(chǔ)塊存放資料的操作均可在一個(gè)單時(shí)鐘周期內(nèi)完成。例如，當(dāng)內(nèi)核對(duì)一個(gè)子存儲(chǔ)塊的資料進(jìn)行操作時(shí)，DMA可以向另一個(gè)子存儲(chǔ)塊存放新資料。在某些條件下，甚至可以同時(shí)訪問同一個(gè)子存儲(chǔ)塊。當(dāng)訪問外部記憶體時(shí)，通常只有一個(gè)物理匯流排可用，該物理匯流排經(jīng)常被同步和非同步記憶體所復(fù)用。

關(guān)于資料快取記憶體

當(dāng)前的DMA控制器的靈活性是一把雙刃劍。當(dāng)在兩個(gè)處理器之間讀取一個(gè)大的C/C++應(yīng)用程式時(shí)，程式師有時(shí)不愿意將DMA功能整合到已經(jīng)存在的工作代碼中。這時(shí)，資料快取記憶體就很有用了。通常，資料通過快取記憶體送入L1記憶體以便最快處理。這種資料快取記憶體非常吸引人，因爲(wèi)它象一個(gè)小DMA一樣工作，但涉及到程式師的工作量最小。

因爲(wèi)典型的快取記憶體線填充特性，所以當(dāng)處理器對(duì)外部記憶體內(nèi)的連續(xù)資料存放塊進(jìn)行操作時(shí)，資料快取記憶體就非常有用。這是因爲(wèi)該快取記憶體不只存儲(chǔ)當(dāng)前正在被處理的立即資料，此外它還向與當(dāng)前相鄰的資料塊內(nèi)予取資料。換句話說，該快取記憶體機(jī)構(gòu)假設(shè)當(dāng)前處理的資料字是即將被處理的一個(gè)相鄰資料塊的一部分的可能性極大。對(duì)于多媒體圖像、音頻和視頻流，這是一個(gè)合理的假設(shè)。

由于資料緩沖器通常來自周邊電路，所以對(duì)資料快取記憶體的操作并不總象對(duì)指令快取記憶體的操作那樣容易。這是由于必須在非“*”的快取記憶體中人工控制一致性。在使用這些快取記憶體準(zhǔn)備對(duì)新資料進(jìn)行任何讀取之前都必須使該資料緩沖器無效。

總之，在一個(gè)具體的多媒體系統(tǒng)中對(duì)指令和資料傳送的最佳機(jī)構(gòu)的選擇應(yīng)該是快取記憶體還是DMA沒有一種簡(jiǎn)單的答案。不過，一旦開發(fā)工程師了解到這其中的權(quán)衡考慮，就能進(jìn)入到一種“不偏不倚”的狀態(tài)，從而將使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)化。(本文作者任職于ADI公司公司 Blackfin Blackfin應(yīng)用組應(yīng)用組)。