Sanjay Bhal 戰(zhàn)略市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理，多核與媒體基礎(chǔ)架構(gòu)業(yè)務(wù)部

Raj Sivarajan 軟件工程設(shè)計(jì)經(jīng)理，多核與媒體基礎(chǔ)架構(gòu)業(yè)務(wù)部

Raghu Nambiath 軟件設(shè)計(jì)工程師，多核與媒體基礎(chǔ)架構(gòu)業(yè)務(wù)部

介紹

    多核數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 現(xiàn)已開(kāi)始在不同的細(xì)分市場(chǎng)逐漸推廣，包括測(cè)量測(cè)試、關(guān)鍵任務(wù)、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療與高端影像設(shè)備，以及高性能計(jì)算等。隨著這些應(yīng)用的處理需求不斷增長(zhǎng)，德州儀器(TI) 通過(guò)了新一代可擴(kuò)展高性能TMS320C66x 多核DSP。C66x 器件建立在TI KeyStone 架構(gòu)基礎(chǔ)之上，可為多核器件中的每個(gè)內(nèi)核提供全面的處理功能，是實(shí)現(xiàn)真正多核創(chuàng)新的平臺(tái)。TI C66x 高性能DSP 包括采用單、雙、四以及八內(nèi)核配置提供的引腳兼容及可擴(kuò)展器件。

    德州儀器(TI) 對(duì)多核DSP 編程模型思路非常全面，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列能夠在TI 多核DSP 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)的可擴(kuò)展工具與軟件。本文主要介紹TI 多核軟件開(kāi)發(fā)套件(MCSDK)，具體內(nèi)容涵蓋對(duì)各種可用軟件套件以及實(shí)用程序及工具鏈的概述，可為編程人員開(kāi)發(fā)Linux 等高級(jí)操作系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)SYS/BIOS 助一臂之力。

MCSDK 的優(yōu)勢(shì)

    TI MCSDK 旨在提供一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)TI 高性能多核DSP 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。MCSDK 實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法包括：

    ·為客戶提供經(jīng)測(cè)試的良好集成型通用軟件層，客戶無(wú)須從頭開(kāi)發(fā)通用層。例如，TI MCSDK 為配置和控制各種片上外設(shè)及加速器集成并測(cè)試了各種驅(qū)動(dòng)器?？蛻艨墒褂抿?qū)動(dòng)器接口加強(qiáng)片上輸入輸出(I/O) 機(jī)制以及加速功能。由于該軟件是專為器件優(yōu)化的，因此使用MCSDK 的客戶可從理想的性能優(yōu)勢(shì)中獲益；

   ·集成SYS/BIOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及Linux 高級(jí)操作系統(tǒng)支持；

   ·為簡(jiǎn)化編程以及在TI 可擴(kuò)展多核DSP 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)未來(lái)可移植性提供定義完善的應(yīng)用編程接口。例如，用于內(nèi)部核心通信的API 可在不進(jìn)行任何代碼修改的情況下，擴(kuò)展支持TI 多核DSP 的雙、四或八內(nèi)核版本。此外，相同API 還可用于使用Serial RapidIO® 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IO 實(shí)現(xiàn)器件間的通信；

    ·建立示例文檔，可幫助編程人員開(kāi)發(fā)其應(yīng)用。這些示例將為在多核上運(yùn)行RTOS 和在多核上同時(shí)運(yùn)行RTOS 與HLOS 提供有力幫助。此外，這些示例還將展示各種應(yīng)用情況，不但可幫助客戶開(kāi)發(fā)新應(yīng)用，而且還可提供一個(gè)從單內(nèi)核系統(tǒng)到多核系統(tǒng)或從多核系統(tǒng)到單內(nèi)核系統(tǒng)移植的路徑；

    ·與Code Composer StudioTM 等TI 工具以及TI 第三方工具生態(tài)系統(tǒng)集成。

下圖（圖1）是上述MCSDK 及各種組件的概覽圖。

圖1. TI MCSDK 組件

    TI MCSDK 實(shí)際上由兩個(gè)軟件生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成。第一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)基于Linux，第二個(gè)基于SYS/BIOS。兩個(gè)都包含可幫助客戶便捷啟動(dòng)開(kāi)發(fā)的所有功能性軟件。每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都包含用于多核器件編程的各種機(jī)制（比如處理器間通信），在相同器件的不同內(nèi)核上既可獨(dú)立使用，也可組合使用。以下章節(jié)將總體介紹每個(gè)MCSDK 組件。

Linux MCSDK

    Linux 多核軟件開(kāi)發(fā)套件(MCSDK) 為支持運(yùn)行在TI C66x 系列高性能多核DSP 上的Linux 生態(tài)系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該套件包含可隨時(shí)投入使用的Linux 內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)器、樣片應(yīng)用以及經(jīng)驗(yàn)證的工具，可充分滿足客戶的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需求。Linux MCSDK 以開(kāi)源發(fā)行版形式在www.linux-c6x.org上提供，包含預(yù)構(gòu)建二進(jìn)制程序，可隨時(shí)通過(guò)在參考平臺(tái)上運(yùn)行來(lái)演示TI 高性能多核DSP 的功能。

    總體而言，支持C66x 多核DSP 的Linux 是C66x 多核客戶、獨(dú)立開(kāi)發(fā)者以及廠商協(xié)作社區(qū)推動(dòng)的結(jié)果，可幫助參與和強(qiáng)化總體開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)。目前已有多個(gè)參與方參與內(nèi)核與工具鏈的開(kāi)發(fā)和上游對(duì)接。具體包括GCC 工具鏈的CodeSourcery（現(xiàn)在是Mentor EmbeddedTM 的一部分）以及內(nèi)核社區(qū)知名的Linux 開(kāi)發(fā)商等。

生態(tài)系統(tǒng)組件

    對(duì)Linux 生態(tài)系統(tǒng)的支持預(yù)計(jì)將是各種更豐富高性能應(yīng)用的關(guān)鍵使能技術(shù)，可幫助客戶輕松推出基于TI C66x 多核DSP 的平臺(tái)?？偟膩?lái)說(shuō)，該基礎(chǔ)架構(gòu)可通過(guò)增添市場(chǎng)導(dǎo)向型應(yīng)用來(lái)幫助客戶降低開(kāi)發(fā)成本，集中精力提升價(jià)值定位。

    Linux MCSDK 采用uClinux 類內(nèi)核，因其較小的占位面積非常適合多核DSP 的開(kāi)發(fā)。另外，Linux MCSDK 還包含支持訪問(wèn)DSP 內(nèi)部所有外設(shè)的器件驅(qū)動(dòng)器，這些外設(shè)將隨實(shí)際DSP 的不同而不同。圖2 是支持KeyStone 器件的外設(shè)與驅(qū)動(dòng)器。

圖2. Linux MCSDK 的軟件生態(tài)系統(tǒng)組件

進(jìn)程間通信

   多核架構(gòu)的主要編程要求之一就是能夠在各種內(nèi)核之間進(jìn)行高效通信。TI Linux MCSDK 支持在運(yùn)行SYS/BIOS 的核心之間，以及其它Linux 內(nèi)核之間的通信，從而可為滿足各種潛在產(chǎn)品需求提供高度的靈活性。

內(nèi)核間的IPC

    TI Linux MCSDK 通過(guò)SYS/Link 模塊提供進(jìn)程間通信(IPC) 驅(qū)動(dòng)器，以在運(yùn)行Linux 高級(jí)操作系統(tǒng)(HLOS) 的兩個(gè)內(nèi)核以及運(yùn)行SYS/BIOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS) 的多個(gè)內(nèi)核之間實(shí)現(xiàn)通信。在預(yù)期的使用情況下，應(yīng)在信號(hào)處理應(yīng)用在BIOS 內(nèi)核上執(zhí)行的同時(shí)控制運(yùn)行在Linux 內(nèi)核上的代碼。該軟件架構(gòu)將幫助運(yùn)行Linux 的主機(jī)內(nèi)核把信號(hào)處理分配給多個(gè)內(nèi)核的同時(shí)，順暢地繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)。SYS/Link IPC 模塊可為在多個(gè)內(nèi)核中發(fā)送和接收不同字長(zhǎng)消息提供MessageQ 支持。

    如圖3 所示，Linux MCSDK 還能使用一種支持IO 虛擬的標(biāo)準(zhǔn)化Linux 框架virtIO 在單一DSP 內(nèi)實(shí)現(xiàn)在多個(gè)內(nèi)核中運(yùn)行的多個(gè)Linux 實(shí)例。

圖3. 多個(gè)Linux 實(shí)例情況下的IPC 使用

軟件開(kāi)發(fā)工具

    Linux MCSDK 可為用戶提供各種編譯器工具及調(diào)試選項(xiàng)。在編譯器方面，開(kāi)源社區(qū)普遍使用的GCC 與二進(jìn)制工具可通過(guò)Mentor Embedded 提供給C66x 多核DSP。在信號(hào)處理代碼等應(yīng)用實(shí)例中，開(kāi)發(fā)人員能夠使用TI 提供的編譯器獲得更高性能。另外，GCC 和TI 編譯器還具有互操作性，因此開(kāi)發(fā)人員可選擇使用TI 編譯器或GCC 滿足不同部分的應(yīng)用代碼需求，而系統(tǒng)的其余部分則仍然使用GCC 構(gòu)建。這樣用戶就可高度靈活地進(jìn)行與代碼性能有關(guān)的利弊權(quán)衡。

    在調(diào)試方面，用戶模式下的應(yīng)用可使用Mentor Embedded 提供的GDB。對(duì)內(nèi)核調(diào)試或者無(wú)操作系統(tǒng)的程序運(yùn)行，使用Mentor Embedded 提供的Debug Sprite 和TI 基于CCS 的調(diào)試器，就可實(shí)現(xiàn)基于JTAG 的調(diào)試。

TI C66x EVM 上的創(chuàng)造性演示體驗(yàn)

     Linux MCSDK 的最后一個(gè)組件是創(chuàng)造性(OOB) 演示軟件與示例應(yīng)用。OOB 演示應(yīng)用包含Web 界面，可為用戶提供通過(guò)以太網(wǎng)連接PC 訪問(wèn)EVM 的控制面板，以便在啟動(dòng)后提供各種功能。在初期版本中，控制面板可提供一種簡(jiǎn)便的方法為用戶更新引導(dǎo)加載程序及內(nèi)核。后續(xù)版本將支持可展示和演示多核相關(guān)功能的其它基本功能，比如運(yùn)行BIOS 和／或Linux 的內(nèi)核間IPC 通信以及下載和引導(dǎo)多核應(yīng)用等。

BIOS MCSDK

    BIOS 多核軟件開(kāi)發(fā)套件(MCSDK) 以集成方式提供內(nèi)核基本構(gòu)建塊，可為在TI 高性能多核DSP 上使用SYS/BIOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)提供便利。BIOS MCSDK 在統(tǒng)一可下載套件中綁定全部主要嵌入式軟件，并在TI 網(wǎng)站上免費(fèi)提供。BIOS MCSDK 配套提供的軟件均為預(yù)構(gòu)建庫(kù)源代碼，并按BSD 許可證進(jìn)行分銷。除了基礎(chǔ)軟件元素外，BIOS MCSDK 還提供使用這些組件的演示應(yīng)用，可展示客戶使用BIOS MCSDK 創(chuàng)建應(yīng)用的方法。

    BIOS MCSDK 采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)因素之一，是為了簡(jiǎn)化各平臺(tái)間的設(shè)計(jì)流程以及對(duì)客戶在各個(gè)TI 器件之間進(jìn)行移植的考慮。TI 了解客戶可能有采用通用軟件支持不同器件的多種產(chǎn)品，因此移植策略應(yīng)重點(diǎn)考慮利用客戶在現(xiàn)有以及未來(lái)TI 器件上的軟件投資。例如，該流程可從在TI 評(píng)估平臺(tái)上運(yùn)行內(nèi)含TI 演示軟件開(kāi)始，然后將該演示移植至客戶平臺(tái)，最后在客戶平臺(tái)上導(dǎo)出客戶應(yīng)用。另外一個(gè)步驟就是將該應(yīng)用移植到新一代TI 架構(gòu)上（圖4）。

圖4. 將應(yīng)用移植到TI 新一代應(yīng)用SoC 平臺(tái)上

    BIOS MCSDK 使用TI Code Composer StudioTM(CCS) 作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)。在軟件更新方面，BIOS MCSDK 使用Eclipse 的更新特性通過(guò)CCS 自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并安裝新軟件。

軟件概覽

BIOS MCSDK 中的軟件組件（圖5）可分為下列類型：

.器件專用軟件驅(qū)動(dòng)器

.內(nèi)核目標(biāo)軟件

.平臺(tái)專用軟件

.演示與工具

圖5. BIOS MCSDK 的軟件組件

    器件專用軟件驅(qū)動(dòng)器：該軟件套件包含芯片支持庫(kù)、低級(jí)驅(qū)動(dòng)器、平臺(tái)庫(kù)以及傳輸協(xié)議。該套件中的軟件重在簡(jiǎn)化對(duì)諸如加速器等器件硬件的訪問(wèn)，并可作為應(yīng)用開(kāi)發(fā)的最低層API。

    平臺(tái)專用軟件：本軟件提供與TI 參考平臺(tái)配套使用的平臺(tái)專用功能的實(shí)施示例，其目的是用作客戶平臺(tái)開(kāi)發(fā)活動(dòng)示例。

    平臺(tái)庫(kù)可使用通用API 對(duì)平臺(tái)進(jìn)行抽象，簡(jiǎn)化各器件間的移植。它提供軟件實(shí)用程序來(lái)控制硬件部件（比如EEPROM、FLASH、UART）并完成平臺(tái)／器件初始化。

    平臺(tái)庫(kù)API 由跨不同平臺(tái)的通用工具使用。這些工具包括EEPROM 寫(xiě)入器、NAND/NOR 寫(xiě)入器以及上電自檢等。因此，要為新器件或新平臺(tái)添加這些工具，應(yīng)隔離工作，以便添加專門用于該硬件的平臺(tái)庫(kù)。與其它組件一樣，該平臺(tái)庫(kù)具有單元測(cè)試應(yīng)用，可在將模塊移植到新平臺(tái)時(shí)使用。

    內(nèi)核目標(biāo)內(nèi)容：該軟件集提供更高級(jí)功能，包括實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)、跨內(nèi)核以及跨器件通信的處理器間通信、基本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧及協(xié)議、經(jīng)優(yōu)化的專用算法庫(kù)以及儀表工具等。

    一項(xiàng)重要多核使能技術(shù)包含處理器間的通信，其不但可跨越使用共享存儲(chǔ)器的內(nèi)核及器件實(shí)現(xiàn)高效通信（內(nèi)核間通信），而且還可跨越SRIO 與PCIe 等外設(shè)實(shí)現(xiàn)器件間的通信。處理器間的通信機(jī)制和API 支持精細(xì)線程多核編程模型。此外，通用IPC 接口還可簡(jiǎn)化跨內(nèi)核和／或器件的應(yīng)用處理節(jié)點(diǎn)工作，滿足多核應(yīng)用設(shè)計(jì)與優(yōu)化的需求。

    第二項(xiàng)重要使能技術(shù)是儀表工具，其對(duì)用戶掌控應(yīng)用執(zhí)行狀況具有至關(guān)重要的意義，可分析并優(yōu)化性能。BIOS MCSDK 包含系統(tǒng)分析器工具，其可定義一系列API，而API 則能夠以可移植方法將儀器代碼插入軟件，以便在各種TI 平臺(tái)中重復(fù)使用。某項(xiàng)應(yīng)用的圖形化輸出示例如下（圖6）

圖6. BIOS MCSDK 的系統(tǒng)分析器工具

   演示與工具：該軟件集覆蓋多種器件，提供構(gòu)建于上述軟件的示例、演示以及工具。BIOS MCSDK 包含演示應(yīng)用，旨在作為示例展示如何使用基礎(chǔ)軟件構(gòu)建多核應(yīng)用。當(dāng)前版本中可供下載的演示包括用于展示BIOS MCSDK 部分重要組件的創(chuàng)造性應(yīng)用，以及用于顯示多核信號(hào)處理的影像處理應(yīng)用。

    各種工具包括通用引導(dǎo)加載程序、FLASH 及EEPROM 寫(xiě)入器、評(píng)估板上電自檢、多核／多影像引導(dǎo)工具，以及從不同模式（比如NAND/NOR、EMAC、SRIO）引導(dǎo)的簡(jiǎn)明示例等。

演示

創(chuàng)造性演示

     BIOS MCSDK 的創(chuàng)造性演示是一種以CCS 項(xiàng)目方式提供的高性能DSP 實(shí)用程序應(yīng)用(HUA)。該演示可通過(guò)演示代碼及Web 頁(yè)面向用戶演示如何將自己的DSP 應(yīng)用連接至各種不同的BIOS MCSDK 軟件元素，其中包括SYS/BIOS、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)套件(NDK)、芯片支持庫(kù)(CSL) 以及平臺(tái)庫(kù)。

在執(zhí)行時(shí)，HUA 可使用Web 服務(wù)器讓用戶使用PC 通過(guò)以太網(wǎng)連接至平臺(tái)。用戶使用HUA 可執(zhí)行各種功能，比如讀／寫(xiě)閃存、診斷或者提供統(tǒng)計(jì)及信息。該演示可通過(guò)演示代碼及Web 頁(yè)面向用戶演示如何將自己的DSP 應(yīng)用連接至各種不同的BIOS MCSDK 軟件元素，其中包括SYS/BIOS、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)套件(NDK)、芯片支持庫(kù)(CSL) 以及平臺(tái)庫(kù)（圖7）。

圖7. 高性能DSP 實(shí)用程序應(yīng)用(HUA)

    影像處理演示（圖8）則展示了如何在BIOS MCSDK 多核信號(hào)處理過(guò)程中集成主要組件。其采用了處理器間通信功能、經(jīng)優(yōu)化的影像庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)套件以及系統(tǒng)分析器。后者用于采集和分析基準(zhǔn)信息。

圖8. BIOS MCSDK 的影像處理應(yīng)用軟件框架

    本演示經(jīng)配置可運(yùn)行于器件所支持的任意數(shù)量的內(nèi)核上?？蓪⒈狙菔緞澐譃榈谝粋€(gè)內(nèi)核上的單個(gè)主系統(tǒng)任務(wù)和分配給所有內(nèi)核的多個(gè)從系統(tǒng)任務(wù)。主系統(tǒng)任務(wù)負(fù)責(zé)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，并將工作分配給從系統(tǒng)任務(wù)，然后自從系統(tǒng)任務(wù)采集結(jié)果，并發(fā)送輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)前支持的算法有邊緣檢測(cè)，但經(jīng)擴(kuò)展后可支持更多種算法。

總結(jié)

   TI MCSDK 可為客戶提供一種適用于Linux 和SYS/BIOS 的高穩(wěn)健集成型軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，其目標(biāo)是使用基于KeyStone 架構(gòu)的高性能DSP 實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)，進(jìn)而加速上市進(jìn)程。

   如欲了解有關(guān)MCSDK 的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.ti.com/mcsdk；也可訪問(wèn)www.ti.com/c66multicore，查看有關(guān)KeyStone 架構(gòu)以及C66x 系列高性能多核DSP 的詳細(xì)介紹。