可高效再配置DSP系統(tǒng)的動態(tài)加載技術(shù)

新的移動通信市場為DSP 技術(shù)帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。我們可采用動態(tài)加載技術(shù)來有效解決這些難題。
基于 DSP（數(shù)字信號處理器）的多功能系統(tǒng)正變得日益普遍，特別在無線通信方面更是如此。新一代超高性能 DSP 使基站可以承載更多的語音、數(shù)據(jù)以及視頻信息通道，而高級低功耗 DSP 則為手持終端系統(tǒng)提供了 Web 瀏覽及其他多媒體功能。與以往的任何 DSP 系統(tǒng)相比，上述系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)更強大的多功能軟件靈活性，這不僅是因為通信標(biāo)準(zhǔn)具有很高的多樣性，而且也由于目前無人知曉眾多新興應(yīng)用中到底哪些會勝出。
新型移動通信市場較強的開放性提出了一系列新的 DSP 技術(shù)挑戰(zhàn)，這不足為奇。其中最重要的是在于如何加載并配置資源密集型的多媒體應(yīng)用，以及如何在目前正投入使用的各種新興系統(tǒng)上加載，并配置諸多不同的通信算法。由于我們常常要在系統(tǒng)運行時進行軟件再配置，這也使問題進一步復(fù)雜化。各種新式應(yīng)用及運行這些應(yīng)用的、基于DSP的系統(tǒng)成功與否，取決于是否能開發(fā)出成功應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的軟件配置技術(shù)。
目前，開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)動態(tài)加載應(yīng)用模塊是在運行期間再配置系統(tǒng)以改變或擴展其功能的最有效方式。開發(fā)人員不能 在運行前靜態(tài)配置許多 DSP 系統(tǒng)，其原因在于執(zhí)行操作的實時要求。但是，動態(tài)加載允許系統(tǒng)根據(jù)需要進行自身的再配置。舉例而言，支持多個調(diào)制解調(diào)器協(xié)議的基站系統(tǒng)可使用動態(tài)加載，從而為目前的服務(wù)請求進行適當(dāng)?shù)淖陨碓倥渲谩Ｎ覀儾环猎倥e另一個例子，即把基于Web的內(nèi)容下載到無線手持終端中。我們不能鏈接一個靜態(tài)的程序圖像，讓它支持用戶可能選擇的所有潛在Web瀏覽路徑。但是，我們可以通過動態(tài)加載在用戶需要時下載某功能所需的支持。這種運行時的靈活性使動態(tài)加載成為可再配置 DSP 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
動態(tài)加載在臺式機領(lǐng)域很常見，用戶常用它從各自獨立的可升級模塊來進行應(yīng)用匯編。但是，開發(fā)人員過去在DSP系統(tǒng)中不怎么使用動態(tài)加載技術(shù)，因為過去它們通常都是帶有實時確定要求的單一應(yīng)用。
其他技術(shù)的沉沒
開發(fā)人員也已嘗試過采用靜態(tài)技術(shù)進行再配置，但上述技術(shù)與動態(tài)加載相比較少成功，其中之一就是構(gòu)建了多個程序圖像，每個圖像都帶有不同的算法集合。當(dāng)開發(fā)人員在運行時可以確定實際的配置時，就可以下載適當(dāng)?shù)膱D像。在帶寬有限的無線鏈接情況下，可能需要很長的時間才能下載完整的應(yīng)用，而且如果開發(fā)人員必須通過重復(fù)下載完整的圖像才能在運行過程中對系統(tǒng)進行再配置的話，那么就會中斷系統(tǒng)的使用。對于開發(fā)人員來說，這種方法要求在構(gòu)建應(yīng)用可能需要的所有圖像之前須提前進行全面了解。
在具有多種獨立功能差異的系統(tǒng)中，開發(fā)人員必須構(gòu)建的圖像數(shù)量也呈組合式增長。隨著系統(tǒng)和軟件應(yīng)用變得越發(fā)復(fù)雜，最終也不可能預(yù)先確定所有潛在要求，因此這種方法也就不再可行了。
開發(fā)人員還推出了疊加技術(shù)，可部分地解決上述問題。根據(jù)這種方法，備用代碼或數(shù)據(jù)處于相同的存儲器空間中。當(dāng)模塊在運行時被寫入該空間并疊加原先的模塊時，就會進行再配置。這種方法減少了加載時間，并且進行再配置也不必中斷應(yīng)用。如果開發(fā)人員可限制系統(tǒng)僅從一個系列選擇中做出一種選擇，那么系統(tǒng)就可相當(dāng)有效地采用疊加的方法了。但如果系統(tǒng)要求多種選擇，那么為每個疊加都預(yù)先確定存儲器分配就不大可能現(xiàn)實了。這種情況可能會要求構(gòu)建多個疊加圖像，每個圖像針對一個可能的存儲器進行綁定。這種方法也再次帶來了圖像數(shù)量組合增長的問題。
動態(tài)加載的優(yōu)勢
動態(tài)加載將模塊與系統(tǒng)物理存儲器的綁定延遲到運行時再進行，這就避免了上述問題。因此，代碼可運行于不同的系統(tǒng)設(shè)置上，從而帶來了更高的靈活性與可重復(fù)使用性。在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中，片上存儲器非常珍貴，系統(tǒng)必須對其進行高效利用，但確定系統(tǒng)的哪部分應(yīng)駐留于片上存儲器中可能在開發(fā)過程中具有很強的局限性。動態(tài)加載允許開發(fā)人員推遲到運行時再做出決定，這時他們可采用實時條件來確定在給定時間中哪種算法應(yīng)駐留于存儲器。開發(fā)人員可根據(jù)需要重復(fù)地替代或交換算法，這對應(yīng)用持續(xù)使用的影響也較小。在新型的無線系統(tǒng)中，多通道應(yīng)用可根據(jù)需要交換編解碼器算法，而無線個人通信裝置可從遠程服務(wù)器下載 DSP 內(nèi)容。
動態(tài)加載也使系統(tǒng)的升級變得更為方便。升級時開發(fā)人員通常必須得寫整個系統(tǒng)，其中包括寶貴的用戶與配置數(shù)據(jù)。但利用動態(tài)加載，他們可將升級限制在系統(tǒng)的一個或更多部分，如某種算法或某個數(shù)據(jù)表格。此外，動態(tài)模塊升級還僅取決于基礎(chǔ)系統(tǒng)提供的功能API（應(yīng)用編程接口）；而非取決于基礎(chǔ)系統(tǒng)的靜態(tài)地址。這意味著，一個動態(tài)模塊可支持多個產(chǎn)品版本，只要所有版本提供的API相同即可。

表1總結(jié)了DSP系統(tǒng)再配置的關(guān)鍵問題。顯示了動態(tài)加載與疊加及靜態(tài)加載屬性之間的比較。正如該表所示，與靜態(tài)圖像及疊加相比，動態(tài)加載在基于DSP系統(tǒng)的再配置方面具有強大的優(yōu)勢。

我們接下來將根據(jù) TI 的 TMS320 DSP 討論動態(tài)加載的組件及其工作的方式，不過根據(jù)實施不同，具體細節(jié)也有所不同。
自加載 DSP 應(yīng)用
在典型的自加載 DSP 應(yīng)用中，單獨的 DSP 運行于主控制程序中，該程序包括動態(tài)加載器庫（圖 1）。這種方法保存了一些動態(tài)圖像所用的 DSP 存儲器。當(dāng)應(yīng)用要求動態(tài)模塊或動態(tài)模塊組時，該控制程序?qū)⒄{(diào)用動態(tài)加載器，指定待加載的模塊圖像。模塊圖像可位于閃存或二級存儲設(shè)備中，系統(tǒng)也可從某些設(shè)備中讀取圖像。加載器為每個模塊分配存儲器，為所選的存儲器調(diào)整圖像位置，建立到主程序的任何引用，并將調(diào)整后的圖像復(fù)制到動態(tài)存儲器中。當(dāng)加載完成后，動態(tài)模塊則與應(yīng)用無縫集成，就象它從初始化之后即存在于系統(tǒng)中一樣。
自加載的典型使用為具備 DSP 功能的支持多種媒體格式的媒體播放器設(shè)備。它將每種可能的輸入來源、媒體格式、音頻效果及輸出進程表示為動態(tài)模塊。當(dāng)用戶選擇媒體時，系統(tǒng)將加載適當(dāng)?shù)哪K并開始播放。

圖1 DSP 的動態(tài)自加載
MCU 控制的加載
在典型的 MCU 控制的 DSP 應(yīng)用中，微控制器管理 一個或更多 DSP 處理器（圖 2）。微控制器選擇在每個 DSP 上的哪個 DSP 模塊或模塊集運行，并使用動態(tài)加載器加載適當(dāng)?shù)哪K。這種使用在幾個重要方面不同于自加載應(yīng)用。其一，動態(tài)加載器運行于微處理器上，而不是運行于正在加載的處理器上。此外，微處理器通常代表 DSP 管理動態(tài)存儲器，因為 DSP 要求非直接存儲器分配算法。再者，在微計算機控制的加載中，動態(tài)圖像的加載可能要求通過接口外設(shè)進行輸出，因為微控制器可能不能直接訪問 DSP 存儲器的地址。
主從應(yīng)用發(fā)生于基站、中心局及無線終端中。在基站和中心局中，單一的微控制器管理多個 DSP，每個 DSP 處理多個通道。TI 的 OMAP1610平臺是一個典型的無線終端。該設(shè)備主要面向手持多媒體應(yīng)用，其中，系統(tǒng)主機為ARM MCU，其包括 DSP 橋接功能，可控制 TMS320C55x的加載、初始化及代碼執(zhí)行。

圖2 MCU 控制的動態(tài)加載
現(xiàn)場測試應(yīng)用
在典型的現(xiàn)場實驗應(yīng)用中，服務(wù)技術(shù)人員給出一系列顯示為動態(tài)加載模塊的測試應(yīng)用。通常說來，廠商隨著時間的發(fā)展會增加并改善本測試。用于測試模塊的備用存儲器加入接受維修服務(wù)的產(chǎn)品，并啟用實現(xiàn)動態(tài)加載。測試設(shè)備包括測試模塊以及動態(tài)加載器和測試控制應(yīng)用（這里的加載器可能位于測試控制應(yīng)用中，也可能內(nèi)置于加入的產(chǎn)品中）。測試設(shè)備還包括內(nèi)置于產(chǎn)品中的加入點定義（這些符號定義可內(nèi)置于產(chǎn)品中，抑或測試集可將其作為符號模塊承載）。診斷測試通過加載各獨立測試進行。每個測試都動態(tài)連接到其要求的產(chǎn)品軟件服務(wù)中，如設(shè)備驅(qū)動程序和狀態(tài)變量。
在使用實際測試時，動態(tài)加載相對于疊加方法的主要優(yōu)勢在于開發(fā)人員不用自己構(gòu)建測試，以匹配于被測試系統(tǒng)的版本。疊加方法要求與同產(chǎn)品版本號數(shù)量以及測試次數(shù)相同的測試圖像庫，而動態(tài)加載的方法只要求測試數(shù)量加上每個產(chǎn)品版本的符號即可。
測試集實現(xiàn)線性復(fù)雜性而不是平方復(fù)雜性，其優(yōu)勢是巨大的。如產(chǎn)品帶有內(nèi)置符號信息，則其可消除最后一項。降低配置復(fù)雜性是動態(tài)加載在使用實際測試時的最大優(yōu)勢。
動態(tài)加載器的功能與要求
動態(tài)加載器是一個可配置的庫或 API，用戶可用 C 語言調(diào)用，實現(xiàn)方便的接口。除了將程序圖像寫入 DSP 存儲器之外，動態(tài)加載器還可以進行必需的鏈接，使得模塊、主應(yīng)用及其他加載的模塊可實現(xiàn)相操作。為了達到此目的，動態(tài)加載器不但引用模塊外的符號，而且也可記錄模塊中的任何全局定義，便于外部使用。當(dāng)加載器卸載模塊時，動態(tài)加載器進行存儲器恢復(fù)，這樣系統(tǒng)就象從未有過動態(tài)模塊一樣。
動態(tài)加載器要求一組四個支持類（Class）。應(yīng)用傳輸實施上述類并配置動態(tài)加載器為加載請求中首先四個參數(shù)的對象。第一個類為圖像源，允許系統(tǒng)集成器定義以流的形式接受輸入的機制。源可為外部存儲器、外部設(shè)備或外設(shè)，甚至也可是應(yīng)用中的嵌入結(jié)構(gòu)。第二個類為符號處理程序，包括映射符號到地址、進行存儲器管理以及有關(guān)符號的錯誤報告等功能。動態(tài)加載器使用第三個類（DSP 存儲器分配程序）來為動態(tài)模塊請求存儲器。一旦動態(tài)加載器確定了存儲器的內(nèi)容，動態(tài)存儲器就會使用第四個類（DSP 存儲器初始化程序）來請求系統(tǒng)更新 DSP 存儲器分配器返回的存儲器地址。
由于動態(tài)加載器鏈接至用戶的應(yīng)用，因此實施它的代碼必須迅速、小巧并具備較強的健碩性。程序員以專為速度進行過優(yōu)化的算法編寫 C 庫的代碼。主機圖像再格式化器是動態(tài)重載的另一組件，它可進行離線狀態(tài)下完成的任何計算。為了高效使用 DSP 的存儲器，動態(tài)加載器需要最小的存儲空間。最后，銷售商對動態(tài)加載器進行了徹底的測試，因為該代碼在運行時出現(xiàn)錯誤是不可接受的。

圖3 動態(tài)加載的應(yīng)用開發(fā)流程
開發(fā)動態(tài)模塊
動態(tài)模塊的代碼開發(fā)幾乎與標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)一樣。圖 3 顯示了創(chuàng)建動態(tài)模塊并進行故障調(diào)試的有代表性的開發(fā)流程。三個動態(tài)加載組件（動態(tài)加載器、圖像再格式化器以及故障調(diào)試器插件）以陰影顯示。最初，主應(yīng)用程序鏈接至動態(tài)加載器庫并為動態(tài)模塊分配存儲器。隨后，它以正常方式構(gòu)建模塊的可執(zhí)行程序，不過圖像尋址是可通過使用動態(tài)加載器執(zhí)行過程中管理的符號進行再分配的，而不是靜態(tài)的。
系統(tǒng)將可再分配的圖像作為輸入提供給圖像再格式化器，圖像再格式化器對其進行優(yōu)化，以備下載。再格式化器去除加載過程中非必需的對象代碼部分以減小圖像大小。此外，再格式化器針對 I/O 流式加載重新安排圖像順序，格式化圖像，使其包括在應(yīng)用中，為確定輸入有效性添加校驗和，并為控制模塊導(dǎo)出的符號提供接口。
當(dāng)系統(tǒng)需要模塊時，系統(tǒng)將其流式提供給動態(tài)加載器，動態(tài)加載器則對其進行處理，并將其寫入保留的動態(tài)模塊存儲器中。由于調(diào)試器也必須能夠鏈接至模塊，因此調(diào)試器插件會檢測動態(tài)模塊是否存在，并確定對應(yīng)于動態(tài)模塊的原始對象文件的位置。插件隨后會用所有必需的信息更新開發(fā)環(huán)境，從而啟動全面故障調(diào)試。
限制符號導(dǎo)出的重要性
圖像再格式化工具為控制模塊導(dǎo)出的符號提供了一個接口。該特性為開發(fā)人員隱藏某些符號而讓另一些符號可視以便于其他模塊引用提供了一種途徑。系統(tǒng)使用該功能來控制訪問，并使加載時間及存儲器面積達到最小。每個可視的符號都要求正在運行動態(tài)加載器的處理器給出幾字節(jié)的存儲空間。如果所有鏈接時符號都可視，那么存儲器使用將成為小型嵌入式系統(tǒng)的一個問題。如果再格式化器限制符號導(dǎo)出，那么符號存儲器使用通常就不構(gòu)成問題。
限制符號導(dǎo)出的另一好處就是實現(xiàn)更快的加載。根據(jù) OMAP1610 平臺測試進行的性能分析給出了以下加載時間的統(tǒng)計模型：4250+373×符號 +273×再定位 +6.5×圖像_字節(jié)。
上述分析顯示，模塊中導(dǎo)出符號的數(shù)量是開發(fā)人員在改善下載速度時能夠控制的最主要因素。比較而言，總模塊大小的重要性則較小，減小符號數(shù)量所起的作用不到 2%。盡管根據(jù) DSP 及系統(tǒng)配置的不同，上述因素與其他非開發(fā)人員可控制因素的確切作用比重會有所差異，但最小化外部符號這條首要規(guī)則保持不變。
開放的可能性
動態(tài)加載能為 DSP 系統(tǒng)帶來新的應(yīng)用功能——這正是即將到來的下一代無線技術(shù)所需要的發(fā)展趨勢。高性能 DSP 可加載新型通信算法，而基于 DSP 的手持系統(tǒng)毋需停止系統(tǒng)即可隨意下載 Web 內(nèi)容及多媒體應(yīng)用模塊。動態(tài)加載作為 DSP 系統(tǒng)的無縫模塊再配置的一種技術(shù)，其應(yīng)用要比多靜態(tài)程序圖像或疊加更為靈活和高效。盡管動態(tài)加載還是 DSP 領(lǐng)域中的新生兒，但其將很快成為驅(qū)動多種新型多功能 DSP 應(yīng)用發(fā)展的因素 。相信隨著許多其他 DSP 創(chuàng)新的出現(xiàn)，開發(fā)人員會問：過去沒有這種技術(shù)，我們都是怎么過來的？