異質(zhì)多處理器芯片中的數(shù)據(jù)流核心設(shè)計(jì)

異質(zhì)多處理器系統(tǒng)(Heterogeneous Multiprocessor)是將兩種以上不同工作性質(zhì)的處理器核心整合為一的處理器系統(tǒng)。它通常包含了一般用途處理器(General Purpose Processor)和特殊用途處理器(Specific Purpose Processor)。隨著片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)及相關(guān)技術(shù)的成熟，已經(jīng)可以將不同的處理器整合到一個芯片里，成為多處理器芯片。以多媒體應(yīng)用為例，比較著名的異質(zhì)多處理芯片有德州儀器公司的TMS320DSC25、TMS320DM270和TMS320DM320。這些芯片都是由ARM微核心和DSP微核心組成。傳統(tǒng)的多處理器系統(tǒng)架構(gòu)(如Intel SMP架構(gòu))是由多個處理芯片通過外部總線匯接而成，而多處理器片上系統(tǒng)架構(gòu)是在單一芯片上包含了多個處理器核心。它能減少系統(tǒng)的功耗并使整個系統(tǒng)發(fā)揮最大的運(yùn)算效能。

1 硬件平臺

本設(shè)計(jì)采用的硬件平臺是德州儀器公司的TMS320DM270，它由兩個微處理器核心ARM7TDMI和TMS320C5409組成。采用主從式架構(gòu)，前者為主動端，后者為被動端。ARM7T

DMI是32位的一般用途處理器，負(fù)責(zé)DM270系統(tǒng)的整體運(yùn)作和所有周邊設(shè)備的控制。TMS320C5409為16位的數(shù)字信號處理器，主要負(fù)責(zé)多媒體信號處理．如音視頻的編解碼運(yùn)算等。ARM可以經(jīng)由DSP控制器重置或喚醒，還可對DSP發(fā)出不可屏蔽式的中斷(Non-Masked Interrupt)。

雙處理器之間必須有良好的通信和數(shù)據(jù)交換機(jī)制．才能使系統(tǒng)在多進(jìn)程環(huán)境下有效合作。在DM270中，ARM端的DSP控制器控制數(shù)據(jù)傳輸，DSP端通過HPI[3](Host Post Interface)與ARM處理器溝通。兩個微處理器使用HPIB(Host Port Interfaee Bridge)相互連接。ARM和DSP可向?qū)Ψ桨l(fā)出硬件中斷，同時它們之間存在一段共享存儲區(qū)。通過共享存儲區(qū)映射機(jī)制和中斷的搭配，雙方可以傳輸信息和數(shù)據(jù)，并且可以在共享存儲區(qū)存取雙方共同定義的指令，使兩端根據(jù)指令進(jìn)行對應(yīng)的動作。

2 ARM端的DSP管理者

為配合DSP的工作，在ARM端微核心(Micro Kernel)中設(shè)計(jì)了一個伺服進(jìn)程，它負(fù)責(zé)ARM與DSP的溝通及協(xié)調(diào)運(yùn)行。該進(jìn)程稱為DSP管理者(DSP Manager)，如圖1所示。

ARM端的進(jìn)程并不知道DSP處理器的存在，只知道DSP管理者在運(yùn)行。當(dāng)ARM端的進(jìn)程需要使用DSP進(jìn)程所提供的數(shù)據(jù)處理服務(wù)時，只需向DSP管理者提出請求。DSP端的進(jìn)程也不知道ARM處理器的存在，DSP管理者把ARM端的請求存放在共享存儲區(qū)，由DSP的數(shù)據(jù)流核心讀取這些請求，并交給相應(yīng)的DSP進(jìn)程。當(dāng)請求被DSP進(jìn)程接收后，DSP管理者還要負(fù)責(zé)把提出請求的ARM端進(jìn)程的數(shù)據(jù)存放在共享存儲區(qū)，以便DSP端進(jìn)程的讀取和處理。因此ARM與DSP溝通的效能取決于DSP管理者的執(zhí)行效能。

DSP管理者接收ARM端進(jìn)程的數(shù)據(jù)處理請求。請求信息應(yīng)該包括提出請求的ARM端進(jìn)程的ID、DSP端服務(wù)進(jìn)程的ID、數(shù)據(jù)處理服務(wù)類型的lD以及相關(guān)參數(shù)。同時DSP管理者把這些請求信息打包封裝為DSP端系統(tǒng)能識別的內(nèi)容格式，再通過共享存儲區(qū)交給DSP端的數(shù)據(jù)流核心。

由于真正維持系統(tǒng)運(yùn)作的是ARM端系統(tǒng)，DSP只是附屬的處理系統(tǒng)，所以ARM端的DSP管理者可以在系統(tǒng)正常工作的情況下更換DSP系統(tǒng)，以支持不同的DSP應(yīng)用。

3 DSP端的數(shù)據(jù)流核心

DSP端的系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)流核心(Dataflow Kernel)架構(gòu)。傳統(tǒng)系統(tǒng)核心架構(gòu)中的進(jìn)程切換由Timer Tick決定，但數(shù)據(jù)流核心中的進(jìn)程卻不受Timer Tick的影響，它們以數(shù)據(jù)驅(qū)動(Data Driven)的方式工作。

在DSP端的核心運(yùn)行著多個不同類型的數(shù)據(jù)處理服務(wù)進(jìn)程，這些進(jìn)程在DSP啟動時都被設(shè)為阻塞態(tài)(Sleep)。因?yàn)榇藭r沒有任何數(shù)據(jù)可以用來驅(qū)動DSP服務(wù)進(jìn)程的執(zhí)行。當(dāng)ARM端開始傳送數(shù)據(jù)處理請求到DSP端時，數(shù)據(jù)流核心會根據(jù)這些請求找到對應(yīng)的DSP服務(wù)進(jìn)程，并使其進(jìn)入執(zhí)行態(tài)(Busy)。當(dāng)該服務(wù)進(jìn)程的數(shù)據(jù)處理任務(wù)完成后，其返回結(jié)果可能是新的數(shù)據(jù)處理請求，該請求同樣也可以進(jìn)入數(shù)據(jù)流核心。驅(qū)動其他服務(wù)進(jìn)程的執(zhí)行。所以整個核心的運(yùn)行是根據(jù)數(shù)據(jù)流(ARM端的數(shù)據(jù)和DSP進(jìn)程自己產(chǎn)生的數(shù)據(jù))的動向決定的。與基于Timer Tick的傳統(tǒng)系統(tǒng)核心相比，只要某一服務(wù)進(jìn)程不斷地接收數(shù)據(jù)處理請求，并且所需的數(shù)據(jù)不斷到達(dá)，該進(jìn)程就可以一直擁有CPU的使用權(quán)，而無須進(jìn)行時間片方式的進(jìn)程切換，從而減少了系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，提高了DSP的處理效能。

DSP端的進(jìn)程有執(zhí)行和阻塞兩種狀態(tài)。進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。當(dāng)CPU使用權(quán)切換給某個進(jìn)程時，該進(jìn)程的狀態(tài)將被核心設(shè)定為Busy并開始處理數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)處理完后，數(shù)據(jù)流核心從數(shù)據(jù)請求隊(duì)列DRQ(Data Request Queue)中取出下一個請求。如果請求信息中指定的DSP服務(wù)進(jìn)程與目前進(jìn)程相同，則該進(jìn)程的狀態(tài)依舊為Busy．否則核心便將目前進(jìn)程的狀態(tài)設(shè)定為Sleep，同時開始進(jìn)程切換，將請求信息中所指定的服務(wù)進(jìn)程設(shè)定為Busy。

 

3．1 進(jìn)程隊(duì)列狀態(tài)寄存器

ARM端系統(tǒng)和DSP端系統(tǒng)在共享存儲區(qū)共同定義了16位的進(jìn)程隊(duì)列狀態(tài)寄存器(Process Oueue Status Register)，每一位代表DSP端一個進(jìn)程的狀態(tài)，所以DSP端最多有16個數(shù)據(jù)處理服務(wù)進(jìn)程。若DSP端的數(shù)據(jù)流核心將寄存器的某一位設(shè)為O，則表示與該位對應(yīng)的DSP進(jìn)程有能力處理新的數(shù)據(jù)處理請求；若設(shè)為1，則表示與該位對應(yīng)的DSP進(jìn)程沒有能力處理新的請求。

DSP管理者通過查看該寄存器，可以知道DSP端的某些進(jìn)程已不能接收新的數(shù)據(jù)處理請求，它就會使ARM端的相關(guān)進(jìn)程停止向這些DSP進(jìn)程發(fā)出請求。這樣可以充

分利用DSP的資源，降低DSP端的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

3．2 數(shù)據(jù)流核心的進(jìn)程調(diào)度策略

核心中的進(jìn)程調(diào)度策略是根據(jù)數(shù)據(jù)流架構(gòu)上進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)變化的規(guī)律設(shè)計(jì)的。其工作方式是將ARM端對DSP端的數(shù)據(jù)處理請求利用環(huán)行隊(duì)列(Circular Queue)的架構(gòu)以FIFO的方式排序，并存入DRQ中。該策略的特點(diǎn)是DSP端的每一個進(jìn)程都預(yù)先指定最多可以擁有DRQ空間的數(shù)目，等級越高的進(jìn)程擁有DRQ使用空間就越多，證明其可以處理更多的數(shù)據(jù)請求。該策略將傳統(tǒng)系統(tǒng)核心中進(jìn)程優(yōu)先級(Priority)的概念轉(zhuǎn)化為進(jìn)程可以處理數(shù)據(jù)請求的多少。進(jìn)程等級越高，能處理的數(shù)據(jù)請求也越多，同時占用CPU的執(zhí)行時間也較長。LDE(Local Data Element)是DSP端每一個進(jìn)程都有的參數(shù)，它表示DSP進(jìn)程在執(zhí)行過程中還可以接收多少個數(shù)據(jù)處理請求。LDE的初始值由系統(tǒng)定義。整個DRQ空問的大小由所有DSP進(jìn)程的LDE預(yù)設(shè)最大值的總和決定。

當(dāng)DSP端的數(shù)據(jù)流核心取得ARM端的數(shù)據(jù)處理請求時，根據(jù)請求我到指定的DSP端進(jìn)程，把該進(jìn)程的LDE減1，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。如果LDE被減至0，則DSP端數(shù)據(jù)流核心把該DSP進(jìn)程在進(jìn)程隊(duì)列狀態(tài)寄存器中所對應(yīng)的狀態(tài)位設(shè)為1．以通知DSP管理者該進(jìn)程不能再接收新的請求，分配給該進(jìn)程的所有DRQ空間都已被使用。此后，隨著DRQ中的數(shù)據(jù)請求逐漸被處理，使得該進(jìn)程的DRQ空問再出現(xiàn)剩余時，數(shù)據(jù)流核心會把進(jìn)程隊(duì)列狀態(tài)寄存器中所對應(yīng)的狀態(tài)位設(shè)為0，通知DSP管理者可以再次向該DSP進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)處理請求。

如圖3所示，DRQ是環(huán)行隊(duì)列結(jié)構(gòu)，存儲所有的請求信息。DRQ有兩個指針：Tail指向DRQ沒有被使用的空間；Head指向DRQ中將被處理的請求。LDE有三個元素EA、EB、EC，代表DSP的進(jìn)程A、B、C分別可使用的DRQ個數(shù)。數(shù)據(jù)流核心接收請求RB后，調(diào)度算法將EB減1，并且通過Tail指針將請求RB加入DRQ中。當(dāng)系統(tǒng)需要處理請求時，調(diào)度算法由Head指針取出請求并交由適當(dāng)?shù)腄SP進(jìn)程處理。

 

4 共享存儲區(qū)管理

本設(shè)計(jì)將DM270系統(tǒng)平臺中的一段32KB大小的存儲區(qū)作為ARM和DSP的共享存儲區(qū)。該存儲區(qū)由DSP管理者負(fù)責(zé)管理。由于TMS320C5409的存儲單位是字節(jié)，所以規(guī)定它所訪問的共享存儲區(qū)地址為OxS000～0xBFFF；而ARM7TDMI的存儲單位是字，所以規(guī)定它能訪問的共享存儲區(qū)地址為0x50000～0x57FFF，共享存儲區(qū)分配如圖4所示。共享存儲區(qū)分為32個存儲塊，每塊大小為1024B。前兩個字節(jié)為共享存儲塊的狀態(tài)標(biāo)志位，其值為0代表此存儲塊閑置，1代表此存儲塊已被使用。存儲塊中剩下的1022B用來存放數(shù)據(jù)。DSP管理者將所有ARM端需要DSP處理的數(shù)據(jù)都存儲到這32個存儲塊上。

當(dāng)32個存儲塊全部被使用或者數(shù)據(jù)處理請求中所指定的DSP進(jìn)程的LDE為0時，DSP管理者向ARM端提出該請求的進(jìn)程阻塞，防止因不斷地提出請求而造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。當(dāng)所指定的DSP進(jìn)程數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，DSP端的數(shù)據(jù)流核心將該進(jìn)程阻塞，并對DRQ空間和進(jìn)程隊(duì)列狀態(tài)寄存器作相應(yīng)調(diào)整，然后主動釋放該DSP進(jìn)程使用的共享存儲塊，同時向ARM端發(fā)出中斷信號。DSP管理者接收到此中斷信號后，根據(jù)進(jìn)程隊(duì)列狀態(tài)寄存器判斷出請求所指定的DSP進(jìn)程已經(jīng)可以開始處理數(shù)據(jù)了，讓剛才在ARM端被阻塞的進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行．并把數(shù)據(jù)寫入共享存儲塊，以便DSP進(jìn)程讀取和處理。當(dāng)存在閑置的存儲塊并且數(shù)據(jù)處理請求所指定的DSP進(jìn)程的LDE不為0時，DSP管理者可直接將ARM端進(jìn)程的數(shù)據(jù)寫到共享存儲塊，以便相應(yīng)的DSP進(jìn)程讀取和處理。

5 DSP端系統(tǒng)的熱抽換

DSP系統(tǒng)的更換技術(shù)對多媒體應(yīng)用而言非常重要。如果DSP端需要播放不同格式的影片，則必須把整個DSP端系統(tǒng)更換以支持不同格式的解碼器。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了熱抽換技術(shù)。傳統(tǒng)熱抽換技術(shù)的定義是動態(tài)地把系統(tǒng)中的核心層部分更換，在不重新開機(jī)的情況下，進(jìn)程還可以正常工作。而本設(shè)計(jì)的熱抽換是更換整個DSP端的系統(tǒng)，同時維持ARM端進(jìn)程的正常工作。為了實(shí)現(xiàn)熱抽換，必須在某段靜態(tài)存儲區(qū)存放多個版本的DSP系統(tǒng)程序。本設(shè)計(jì)中，這些程序被存放到DM270的Flash Memory中，ARM端的檔案系統(tǒng)負(fù)責(zé)維護(hù)和管理這部分內(nèi)容。

DSP系統(tǒng)的熱抽換過程如下：①DSP端要把那些由于沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)處理而陷入阻塞的DSP進(jìn)程全部釋放，否則當(dāng)DSP端系統(tǒng)更新后，這些進(jìn)程會因?yàn)橛肋h(yuǎn)不能再得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而造成永久阻塞，形成系統(tǒng)資源浪費(fèi)；②ARM端的DSP管理者會清空所有的共享存儲區(qū)，同時阻塞ARM端的所有用戶進(jìn)程；③ARM端的檔案系統(tǒng)將從Flash Memory中讀取所需的DS

P系統(tǒng)檔案并將它加載到DSP的內(nèi)存；④DSP端系統(tǒng)啟動，DSP管理者喚醒ARM端所有被阻塞的進(jìn)程，為更新后的DSP系統(tǒng)服務(wù)。

ARM端的系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時將數(shù)據(jù)處理請求和相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給DSP，而不管這些數(shù)據(jù)如何被DSP使用；DSP端只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，而不管數(shù)據(jù)的來源和用途。這種架構(gòu)關(guān)系保證了DSP系統(tǒng)的熱抽換是安全可靠的，不會破壞系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

本文以DM270平臺為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了DSP端的數(shù)據(jù)流核心和ARM端的DSP管理者。與傳統(tǒng)的、基于時間片的多進(jìn)程系統(tǒng)核心相比，數(shù)據(jù)流核心的進(jìn)程是靠數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式工作的。它能有效地減少進(jìn)程的切換．節(jié)約系統(tǒng)資源，使DSP可以更加專注于多媒體數(shù)據(jù)的處理。