TI ARM+DSP异构多核通信机制

本文介绍了TI的ARM+C6000 DSP异构多核平台（如Davinci系列，OMAP3系列，OMAP-L系列）的通信机制，包括Codec Engine、IUNIVERSAL API、C6Accel、C6Run、RPMSG、RCM和OpenCL等。从底层的通信(CMEM+DSPLINK/SYSLINK)到高层的封装和构建系统。

Overview

本文介绍了TI的ARM+C6000 DSP异构多核平台（如Davinci系列，OMAP3系列，OMAP-L系列）的通信机制，包括Codec Engine、IUNIVERSAL API、C6Accel、C6Run、RPMSG、RCM和OpenCL等。从底层的通信(CMEM+DSPLINK/SYSLINK)到高层的封装和构建系统。

Codec Engine:http://processors.wiki.ti.com/index.php/Category:Codec_Engine

Codec Engine相关的软件部件可以从如下地址下载: http://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/index.html。Codec
Engine (CE)是一个简化了使用xDM通用API的编解码器和算法的框架，能够用于算法本地运行（即算法和算法CEApp在同一个处理器上运行）或者远端运行（即在不同处理器上运行），可以用于同构或者异构的处理器（OMAP3、DM644x，DM64x，DM643x，DM3555，DM365等，以及多核C6472，C6474等）。集成的应用程序调用Codec
Engine API。在Codec Engine内部，反应XDM API的VISA
API用于实际的编解码的调度。如果算法运行于远端，VISA有stub和skeleton来实现一个远端程序调度（RPC，remote
procedure call，DSP/BIOS LINK或者syslink用于底层的IPC（inter-processor
communication）通信）。为了能够采用Codec Engine，需要实现定义在XDM algorithm standard和XDAIS
Algorithm Standard中的算法接口规范。下图是一个ARM+DSP的通信协同示意图。Codec Engine是介于应用层（ARM侧的应用程序）和信号处理层（DSP侧的算法）之间的软件桥梁。ARM应用程序调用Codec
Engine的VISA （Video, Image, Speech, Audio）API（ VIDENC_process(a,
b, c )）。Codec Engine的stub （ARM侧）会把参数a,
b, c以及要调用DSP侧process这个信息打包，通过消息队列（message
queue）传递到DSP。Codec Engine的skeleton（DSP侧）会解开这个参数包，把参数a,
b, c转换成DSP侧对应的参数x, y, z（比如ARM侧传递的是虚拟地址，而DSP只能认物理地址），DSP侧的server（优先级较低，负责和ARM通信的任务）会根据process这一信息创建一个DSP侧的process(x,
y, x)任务最终实现VIDENC_process(a, b, c)的操作。



图1. Codec Engine应用和算法调用示意图

Codec Engine软件模块和组件

在每款提供了Codec Engine的TI DSP的DVSDK开发包中还提供了如下软件模块和工具配合使用：

Framework Components: http://processors.wiki.ti.com/index.php?title=Framework_Components_FAQ

Framework Components是TI提供的一个软件模块，负责DSP侧的memory 和DMA资源管理。他底层会有如DSKT2(用于创建和访问xDAIS算法)、RMAN(通用的资源管理器，内存和外设资源管理)、ECPY(与RMAN资源管理器协调工作的基于DMA的内存拷贝函数库)、DMAN3(EDMA3设备中共享QDMA通道)、ACPY3(基于DMA的内存拷贝函数库，在FC
3.23中被废弃)。

xDAIS：http://processors.wiki.ti.com/index.php?title=Category:XDAIS

xDAIS 是一个标准，它定义了TI DSP算法接口的标准。这样大大提高了DSP算法软件的通用性。DSP算法工程师要写出能被ARM通过Codec
Engine调用的算法，必须保证自己的算法接口符合这个标准。

XDC Tools

XDC Tools和gmake类似，是一个工具。XDC根据用户定义的一套build指令，通过调用用户指定的ARM 工具链（Tool
Chain）和DSP编译器（C6x Code Generation Tools ）build出ARM侧和DSP侧的可执行文件。可以先不必细究这个工具，只需通过编Codec
Engine的例子，知道如何设置build指令就可以了。



图2. xDC build系统

DSP/BIOS Link ：http://processors.wiki.ti.com/index.php?title=DSPLink_Overview

DSP/BIOS Link是实现ARM和DSP之间通信的底层软件，Codec
Engine就是建立在这个底层软件之上。在修改系统内存分配（缺省是256MB的DDR2）时，DSP/BIOS
Link 1.38版本的用户需要修改DSP/BIOS Link的配置文件，并重新build DSP/BIOS Link。而DSP/BIOS
Link 1.40版本以后的用户就无需此操作。

DSP/BIOS Link包括了PROC的基本的处理器控制（如GPP绑定DSP，GPP加载DSP的可执行程序，GPP启动DSP，GPP停止，GPP接绑定DSP）、IPC通信机制（Message
Queue消息队列MSGQ、基于事件回收的流模型CHNL、基于流的循环缓冲的RingIO）、IPC通信构建模块(底层的内存管理分配的POOL、多处理器互斥访问的MPCS、对于DSP内存读写的PROC_read/PROC_write)。

Sys/BIOS Link :http://processors.wiki.ti.com/index.php/Differences_Between_DSP/BIOS_and_SYS/BIOS

CMEM: http://processors.wiki.ti.com/index.php/CMEM_Overview

提供内存管理，用户能定义的大小固定、连续地址的POOL。在cmem 2.0之后还引入了Heap，CMEM地址空间在POOL之后的都认为是HEAP。用户可以通过在cmem的内核驱动加载时设置参数，如modprobe
cmemk phys_start=0x83000000 phys_end=0x85200000 pools=21x4096，具体的cmem内存分配的pool和heap可以从cat
/proc/cmem来得到具体的状态。

C6x Code Generation Tools :

C6x Code Generation Tools是Linux环境下C6000系列DSP的编译器。我们用CCS开发DSP时都是用的Windows环境下的DSP编译器。

DSP/BIOS ：http://processors.wiki.ti.com/index.php?title=Category:DSPBIOS

DSP/BIOS是TI 免费提供的DSP实时操作系统。和上面C6x
Code Generation Tools一样，这里的DSP/BIOS也是Linux环境下的版本。



图3. TI BIOS系统的组件

MontaVista Linux PSP

TI开发板的u-boot、Linux
Kernel版本。

Codec Engine软件开发流程

开发ARM+协处理器的平台软件需要算法在协处理端的开发、算法的集成、ARM段APP程序的开发几个方面。

DSP算法开发

对于DSP算法，处理算法性能和效率外，从算法的集成需要让ARM可以通过Codec
Engine来调用DSP算的算法。因而需要1）、熟悉xDAIS和xDM标准。需要先了解xDAIS，xDM只是xDAIS的扩展。xDAIS
6.10及其以后的版本，包含了一个工具QualiTI，可以检查您的DSP算法是否满足xDAIS标准（但不会检查是否满足xDM）。具体请参考：http://processors.wiki.ti.com/index.php?title=QualiTI_XDAIS_Compliance_Tool 。2）、熟悉Framework
Components。 Framework Components主要包括两个模块DSKT2和DMAN3，它们分别负责DSP侧的memory 和EDMA资源管理。DSP算法使用的memory必须是先向DSKT2提出申请并由DSKT2分配得到的。同样DSP算法使用的EDMA通道也是向DMAN3申请并由DMAN3分配得到的。而关于QDMA的操作，是通过ACPY3这个模块实现的。这样的好处是很容易对DSP侧不同的算法做整合，不同的算法之间不用担心资源（Memory和EDMA）的冲突问题。Codec
Engine DSP侧会涉及到Cache一致性的问题。请参考：http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=Cache_Management

DSP系统集成

通常DSP算法工程师都会把自己的符合xDM标准算法编成一个.lib文件（或 .a64P），供DSP系统工程师调用。DSP系统工程师最终build出一个DSP
Server（也就是DSP的可执行程序.x64P，和CCS下编译生成的.out类似）。（参考http://focus.ti.com/lit/ug/sprued5b/sprued5b.pdf ，这个文档会讲到.xdc和.bld等文件，Codec
Engine1.20及以上版本的用户可以先不细究，后面介绍工具帮您自动生成这些文件。）

1） 如果现在有一个.lib文件（或 .a64P）（算法必须符合xDM标准），如何生成自己的DSP
Server呢？下面URL有详细的关于RTSC Codec and Server Package Wizard工具介绍，教您如何把一个.lib文件封装成RTSC
Codec 包和RTSC DSP Server包，并最终build出DSP的可执行程序.x64P。

http://processors.wiki.ti.com/index.php?title=RTSC_Codec_And_Server_Package_Wizards
http://processors.wiki.ti.com/index.php?title=I_just_want_my_video_codec_to_work_with_the_DVSDK
2） 如果您使用的是Codec
Engine 1.20以前的版本，请参考Codec Engine安装路径下examples/servers/video_copy这个例子。这时就需要搞清楚sprued6c.pdf和sprued5b.pdf中提到的.xdc和.xs等文件的功能，也可以在video_copy中的相关文件的基础上修改手动创建出自己的RTSC
Codec包和RTSC DSP server包。

3） 创建好RTSC Codec 和RTSC
DSP Server包之后，就是如何build出.x64P的问题了。其中关键是修改user.bld和xdcpaths.mak文件，设置Codec
Engine依赖的其它软件模块和工具的正确路径。

4） 如果自己的硬件DDR2大小和例子中的256Mbytes不一致，需要修改DSP的.tcf文件和其他配置。还有些工程师不清楚如何分配memory及如何决定具体段，如：DDRALGHEAP和DDR的大小，以及如何配置./loadmodules里的参数都请参考： http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=Changing_the_DVEVM_memory_map。

ARM端应用程序开发

ARM应用工程师需要调用Codec Engine的VISA
API，最终编出ARM侧的可执行程序，因此，必须根据自己的应用学习相关的VISA API、如何创建应用侧Codec
Engine的package及配置文件。（参考http://focus.ti.com/lit/ug/sprue67d/sprue67d.pdf ，这个文档也涉及到如何调试Codec
Engine的内容）。

1）了解ARM应用程序调用Codec
Engine的流程、VISA API和其他Codec Engine API。可以参考Codec
Engine安装路径下examples/apps/video_copy的例子（较简单）或者DVSDK安装路径下demos里的encode/decode/encodedecode例子（较复杂）。

http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=Configuring_Codec_Engine_in_Arm_apps_with_createFromServer

2） 了解ceapp.cfg文件。sprue67d.pdf有相关介绍，可以先读懂examples/apps/video_copy/ceapp.cfg。

3） 用4.2 3)中提到的方法学习如何build
ARM侧的可执行程序。

4） 如何在多线程中调用codec
engine，参考：

http://wiki.davincidsp.com/index.php?title=Multiple_Threads_using_Codec_Engine_Handle

5）还可以参考以下三个文档了解更多TI demo的ARM应用程序的结构、线程调度等具体的问题。

C6Accel

C6EZAccel能提供ARM+DSP架构的SOC的调用DSP端算法的ARM端应用程序的快速开发。适用于OMAP-L137/
OMAP-L138/OMAP3530/OMAP3525/DM3730/DM6446/DM8168/DM8148等处理器。C6EZAccel包括了符合TI算法标准XDAIS的基于Codec
Engine的算法库的快速集成。C6EZAccel还包括了ARM端应用程序来启动这些DSP端算法。这些DSPlib库用codec
engine的IUNIVERSAL API做了封装方便ARM端调用。iUniversal
APIs类似VISA API，能通过Codec Engine接口传递函数参数和返回值等。



图4. C6EZAccel通过IUNIVERSAL API调用框架

http://processors.wiki.ti.com/index.php/C6EZAccel

C6Run

C6EZRun本质上讲是一个build系统，即通过对程序的编译结果后处理，首先用codec
engine tools来编译源代码，得到的目标文件用code sourcery的gcc-arm重新编译链接，该方法适用于OMAP-L137/
OMAP-L138/OMAP3530/OMAP3525/DM3730/DM6446/DM8168/dm3725等处理器。

C6RunLib

c6runlib-cc是一个Bash shell脚本，编译C代码产生DSP端的C6000目标文件，首先调用C6000的编译器并合理的处理命令行选项(c6runlib-cc命令行的语法符合开源GCC编译器的语法)，c6runlib-cc工具目前只支持C源文件。经由c6runlib-cc编译和汇编的文件会再次分析产生2个额外的源文件，即2个RPC
stub，一个在ARM端（后缀名为".gpp_stub.o"），一个在DSP端（扩展名为".dsp_stub.o"）。输出的目标文件会由c6runlib-ar进行压缩打包。这个库中包含了自动的RPC调用，屏蔽了底层的DSPLINK和其他的TI组件。



图5. C6RunLib工具编译链接图示

C6RunApp

C6RunApp-cc是一个Bash shell的脚本，能编译C代码产生C6000的目标文件。首先调用TI
C6000的编译器cl6x，当然会对命令行选项进行合适的处理。然后c6runapp-cc还用来链接C6000目标文件产生一个ARM/Linux的应用程序。即c6runapp-cc工具合理的利用cl6x的编译器和ARM
GCC的编译器来产生镜像可执行文件。目前的c6runapp-cc的工具只支持C源代码。



图6. C6RunApp工具编译链接图示

图1. C6RunApp常用的命令行选项

--C6Run:replace_malloc	替换标准C的malloc APIs为共享CMEM的heap
--C6Run:no_replace_malloc	不替换malloc APIs (默认)
--C6Run:debug	使用debug模式的库
--C6Run:release	使用release模式的库 (默认)
--C6Run:save_dsp_image	保存DSP端的可执行程序和相应的内存映射文件。

图7. 从ARM端的开发到ARM+DSP端的开发

RPMSG

http://www.omappedia.com/wiki/RPMsg_Kernel_Sources

http://omappedia.org/wiki/RPMsg_BIOS_Sources

RPMSG是开源的IPC通信框架，开发于2011年，用于Android
4.0，首次出现在Linux 3.0的内核里。它简化了SysLink 2.0的一些特性，提供更为简单的用户接口。可以视为SysLink
3.0.

RPMsg的特性：

设备管理：远端处理器的全集管理，包括设备初始化、加在可执行程序，内存管理，运行时电源管理，远端处理器的trace的log，严重错误和异常管理，错误恢复等。

信息框架(Messaging Framework): Linux消息框架来在处理器间交换固定大小的控制信息；

资源管理：申请和释放远端的外设和硬件加速器、带宽频率和延迟管理。

RPMSG的基本组件

remoteproc：管理远端处理器设备状态的驱动。设备的加载和启动、功耗控制、异常管理和错误恢复。平台相关的驱动接口。

rpmsg: 远端处理器的消息队列驱动，提供消息传递机制。

rpmsg-resmgr:管理时钟和各种外设的请求限制的客户端驱动；

rpmsg-omx：用户空间的接口与TI的OMX框架交互的客户端驱动，可以把部分的OMX框架的负荷转交给协处理器。

RPMSG底层驱动机制

iommu：OMAP远端协处理的MMU管理驱动

mailbox: 管理OMAP处理器内的邮箱外设的驱动，提供不同的处理器子系统间的通信；

hwspinlock: 硬件外设的自旋锁，提供不同处理器间的硬件外设的仲裁；

virtio：支持虚拟化的VirtIO框架

RCM

图8. RCM服务器server端和客户端client端通信示意

http://processors.wiki.ti.com/index.php/RCM_Overview

一些软件架构组件如DSP Bridge、Codec Engine需要把一些任务发送worker线程到远端处理器执行包括创建线程、得到CPU的负荷、分配远端内存等。RCM提供了通用的远端客户端和服务器模型来实现平台间任务的分配。RCM构建在XDC之上，使用IPC的MessageQ服务来实现底层通信。TI81xx的Distributed
OpenMax就是基于RCM实现的。

OPENCL

OpenCL最初苹果公司开发，拥有其商标权，并在与AMD，IBM，英特尔和nVIDIA技术团队的合作之下初步完善。随后，苹果将这一草案提交至Khronos
Group。2008年6月16日，Khronos的通用计算工作小组成立。5个月后的2008年11月18日，该工作组完成了OpenCL
1.0规范的技术细节。该技术规范在由Khronos成员进行审查之后，于2008年12月8日公开发表。2010年6月14日，OpenCL
1.1 发布。目前OpenCL 2.0的规范正在制定中。

http://processors.wiki.ti.com/index.php/OpenCL

Reference：

http://houh-1984.blog.163.com/

Codec
Engine FAQ

Framework
Components DMAN3/ACPY3 Users Guide

Changing
the DVEVM memory map

C6EZAccel

Davinci
Multimedia Application Interface

Codec
Engine Application Developers Guide

How
do I Integrate new codecs into DVSDK

Debugging
the DSP side of a CE application using CCS

Codec
Engine Roadmap

Configuring
Codec Engine in Arm apps with createFromServer

http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=61575

http://processors.wiki.ti.com/index.php/C6EZAccel

http://processors.wiki.ti.com/index.php/C6EZRun

本文介绍了TI的ARM+C6000 DSP异构多核平台（如Davinci系列，OMAP3系列，OMAP-L系列）的通信机制，包括Codec Engine、IUNIVERSAL API、C6Accel、C6Run、RPMSG、RCM和OpenCL等。从底层的通信(CMEM+DSPLINK/SYSLINK)到高层的封装和构建系统