異質多處理器芯片中的數據流核心設計

　　異質多處理器系統(tǒng)(Heterogeneous Multiprocessor)是將兩種以上不同工作性質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)及相關技術的成熟，已經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。以多媒體應用為例，比較著名的異質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(如Intel SMP架構)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)揮最大的運算效能。

1 硬件平臺

　　本設計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，前者為主動端，后者為被動端。ARM7TDMI是32位的一般用途處理器，負責DM270系統(tǒng)的整體運作和所有周邊設備的控制。TMS320C5409為16位的數字信號處理器，主要負責多媒體信號處理．如音視頻的編解碼運算等。ARM可以經由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據交換機制．才能使系統(tǒng)在多進程環(huán)境下有效合作。在DM270中，ARM端的DSP控制器控制數據傳輸，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可向對方發(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)映射機制和中斷的搭配，雙方可以傳輸信息和數據，并且可以在共享存儲區(qū)存取雙方共同定義的指令，使兩端根據指令進行對應的動作。

2 ARM端的DSP管理者

　　為配合DSP的工作，在ARM端微核心(Micro Kernel)中設計了一個伺服進程，它負責ARM與DSP的溝通及協(xié)調運行。該進程稱為DSP管理者(DSP Manager)，如圖1所示。

　　ARM 端的進程并不知道DSP處理器的存在，只知道DSP管理者在運行。當ARM端的進程需要使用DSP進程所提供的數據處理服務時，只需向DSP管理者提出請求。DSP端的進程也不知道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的數據流核心讀取這些請求，并交給相應的DSP 進程。當請求被DSP進程接收后，DSP管理者還要負責把提出請求的ARM端進程的數據存放在共享存儲區(qū)，以便DSP端進程的讀取和處理。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端進程的數據處理請求。請求信息應該包括提出請求的ARM端進程的ID、DSP端服務進程的ID、數據處理服務類型的lD以及相關參數。同時DSP管理者把這些請求信息打包封裝為DSP端系統(tǒng)能識別的內容格式，再通過共享存儲區(qū)交給DSP端的數據流核心。

3 DSP端的數據流核心

　　DSP端的系統(tǒng)采用數據流核心(Dataflow Kernel)架構。傳統(tǒng)系統(tǒng)核心架構中的進程切換由Timer Tick決定，但數據流核心中的進程卻不受Timer Tick的影響，它們以數據驅動(Data Driven)的方式工作。

　　在DSP 端的核心運行著多個不同類型的數據處理服務進程，這些進程在DSP啟動時都被設為阻塞態(tài)(Sleep)。因為此時沒有任何數據可以用來驅動DSP服務進程的執(zhí)行。當ARM端開始傳送數據處理請求到DSP端時，數據流核心會根據這些請求找到對應的DSP服務進程，并使其進入執(zhí)行態(tài)(Busy)。當該服務進程的數據處理任務完成后，其返回結果可能是新的數據處理請求，該請求同樣也可以進入數據流核心。驅動其他服務進程的執(zhí)行。所以整個核心的運行是根據數據流 (ARM端的數據和DSP進程自己產生的數據)的動向決定的。與基于Timer Tick的傳統(tǒng)系統(tǒng)核心相比，只要某一服務進程不斷地接收數據處理請求，并且所需的數據不斷到達，該進程就可以一直擁有CPU的使用權，而無須進行時間片方式的進程切換，從而減少了系統(tǒng)資源的浪費，提高了DSP的處理效能。

　　DSP端的進程有執(zhí)行和阻塞兩種狀態(tài)。進程的狀態(tài)轉移如圖2所示。當CPU使用權切換給某個進程時，該進程的狀態(tài)將被核心設定為Busy并開始處理數據。當數據處理完后，數據流核心從數據請求隊列DRQ(Data Request Queue)中取出下一個請求。如果請求信息中指定的DSP服務進程與目前進程相同，則該進程的狀態(tài)依舊為Busy．否則核心便將目前進程的狀態(tài)設定為 Sleep，同時開始進程切換，將請求信息中所指定的服務進程設定為Busy。

3．1 進程隊列狀態(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位的進程隊列狀態(tài)寄存器(Process Oueue Status Register)，每一位代表DSP端一個進程的狀態(tài)，所以DSP端最多有16個數據處理服務進程。若DSP端的數據流核心將寄存器的某一位設為O，則表示與該位對應的DSP進程有能力處理新的數據處理請求；若設為1，則表示與該位對應的DSP進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端的某些進程已不能接收新的數據處理請求，它就會使ARM端的相關進程停止向這些DSP進程發(fā)出請求。這樣可以充分利用DSP的資源，降低DSP端的系統(tǒng)負擔。

3．2 數據流核心的進程調度策略

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

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

4 共享存儲區(qū)管理

　　本設計將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管理者負責管理。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3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用來存放數據。DSP管理者將所有ARM端需要DSP處理的數據都存儲到這32個存儲塊上。

　　當32 個存儲塊全部被使用或者數據處理請求中所指定的DSP進程的LDE為0時，DSP管理者向ARM端提出該請求的進程阻塞，防止因不斷地提出請求而造成系統(tǒng)資源的浪費。當所指定的DSP進程數據處理結束后，DSP端的數據流核心將該進程阻塞，并對DRQ空間和進程隊列狀態(tài)寄存器作相應調整，然后主動釋放該 DSP進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，根據進程隊列狀態(tài)寄存器判斷出請求所指定的DSP進程已經可以開始處理數據了，讓剛才在ARM端被阻塞的進程繼續(xù)運行．并把數據寫入共享存儲塊，以便DSP進程讀取和處理。當存在閑置的存儲塊并且數據處理請求所指定的DSP進程的LDE不為0時，DSP管理者可直接將ARM端進程的數據寫到共享存儲塊，以便相應的DSP進程讀取和處理。

5 DSP端系統(tǒng)的熱抽換

　　DSP 系統(tǒng)的更換技術對多媒體應用而言非常重要。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)設計中使用了熱抽換技術。傳統(tǒng)熱抽換技術的定義是動態(tài)地把系統(tǒng)中的核心層部分更換，在不重新開機的情況下，進程還可以正常工作。而本設計的熱抽換是更換整個 DSP端的系統(tǒng)，同時維持ARM端進程的正常工作。為了實現(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。本設計中，這些程序被存放到 DM270的Flash Memory中，ARM端的檔案系統(tǒng)負責維護和管理這部分內容。

　　DSP 系統(tǒng)的熱抽換過程如下：①DSP端要把那些由于沒有進行數據處理而陷入阻塞的DSP進程全部釋放，否則當DSP端系統(tǒng)更新后，這些進程會因為永遠不能再得到相應的數據，而造成永久阻塞，形成系統(tǒng)資源浪費；②ARM端的DSP管理者會清空所有的共享存儲區(qū)，同時阻塞ARM端的所有用戶進程；③ARM端的檔案系統(tǒng)將從Flash Memory中讀取所需的DSP系統(tǒng)檔案并將它加載到DSP的內存；④DSP端系統(tǒng)啟動，DSP管理者喚醒ARM端所有被阻塞的進程，為更新后的DSP系統(tǒng)服務。

　　本文以DM270平臺為基礎，設計了DSP端的數據流核心和ARM端的DSP管理者。與傳統(tǒng)的、基于時間片的多進程系統(tǒng)核心相比，數據流核心的進程是靠數據驅動的方式工作的。它能有效地減少進程的切換．節(jié)約系統(tǒng)資源，使DSP可以更加專注于多媒體數據的處理。