目前市場上有良好控制功能的處理器很多，但是這些處理器大多在數(shù)據(jù)處理能力方面略顯不足。因此，美國德州儀器(TI)公司于2009推出了一款多核處理器OMAP3530，它采用了600 MHz ARM Cortex-A8內(nèi)核與420 MHz TMS320C64+TM DSP雙核結(jié)構(gòu)[1-2]。由于ARM在工業(yè)控制方面具有很大的優(yōu)勢以及DSP具有良好的數(shù)據(jù)處理能力，所以O(shè)MAP3530在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)方面有著廣泛的應(yīng)用前景和技術(shù)潛力。

    要使OMAP3530發(fā)揮ARM+DSP雙核架構(gòu)的優(yōu)勢，必須要使ARM和DSP協(xié)同工作。目前關(guān)于如何使ARM和DSP協(xié)同工作的參考資料不多，因此本文在研究實(shí)踐的基礎(chǔ)上，就如何搭建協(xié)同開發(fā)環(huán)境以及ARM和DSP協(xié)同開發(fā)方法進(jìn)行了說明。
1 開發(fā)環(huán)境的搭建
1.1 PC端系統(tǒng)的搭建
    OMAP3530幾乎支持所有嵌入式操作系統(tǒng)(例如WinCE、Symbian OS、EPOC、Linux等)，由于大部分嵌入式操作系統(tǒng)都要收費(fèi)，所以這里采用Linux系統(tǒng)，它不僅應(yīng)用廣泛，而且免費(fèi)和開源。
    為了能夠開發(fā)OMAP3530，首先要搭建開發(fā)環(huán)境，在PC端，需要安裝虛擬機(jī)VMware Workstation，配置超級終端；然后在虛擬機(jī)上安裝Linux操作系統(tǒng)。除此之外，還需要在Linux系統(tǒng)上安裝交叉編譯器、NFS服務(wù)器、FTP服務(wù)器等一些必要的開發(fā)工具。
1.2 OMAP3530系統(tǒng)啟動方式及分析
    OMAP3530上運(yùn)行的Linux系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，x-loader是一級引導(dǎo)程序，主要作用是初始化CPU和拷貝u-boot到內(nèi)存中運(yùn)行[3]，然后把控制權(quán)交給u-boot。u-boot為二級引導(dǎo)程序，主要用于與用戶進(jìn)行交互，以及提供鏡像更新、引導(dǎo)內(nèi)核等功能。kernel為Linux內(nèi)核，是操作系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。rootfs為根文件系統(tǒng)，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)的重要組成部分，用于控制對數(shù)據(jù)文件及設(shè)備的存取，并提供對文件和目錄的分層組織形式、數(shù)據(jù)緩沖以及對文件存取權(quán)限的控制。根文件系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)不可或缺的組件，在嵌入式Linux中，內(nèi)核在啟動期間，必須調(diào)用根文件系統(tǒng)才能啟動。Linux系統(tǒng)將自身劃分為兩部分，一部分為核心軟件，即kernel(也稱作內(nèi)核空間)；另一部分為普通應(yīng)用程序，這部分稱為用戶空間（user area）。

    可以通過配置及編譯x-loader、u-boot、kernel、busybox源碼文件來獲得OMAP3530所需的鏡像文件，然后把鏡像文件拷貝進(jìn)SD卡，這樣就可通過SD卡啟動Linux系統(tǒng)。
    為了便于開發(fā)，通常使用交叉網(wǎng)線連接PC和OMAP3530開發(fā)板，然后通過由NFS掛載根文件系統(tǒng)的方法來啟動Linux系統(tǒng)。該方法的好處是能直接在虛擬機(jī)中修改OMAP3530端Linux的文件系統(tǒng)，就可以直接在PC上開發(fā)OMAP3530端的程序。
2 搭建ARM與DSP之間的橋梁
2.1 DVSDK簡介
    為了使ARM與DSP建立連接，TI公司推出了DVSDK(Digital Video Software Development Kit)軟件開發(fā)包，它集成了多種軟件工具，包括支持獨(dú)立DSP處理器和ARM處理器組件以及雙核系統(tǒng)交互組件，各個組件之間緊密聯(lián)系，形成了完整的開發(fā)套件[4-5]。DVSDK部分軟件模塊介紹如下。
    (1)DSP/BIOS for Linux：是一個可擴(kuò)縮的實(shí)時DSP核，可以理解為在DSP端獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)時系統(tǒng)。
    (2)TI Codegen Tools for Linux：是Linux環(huán)境下DSP程序的編譯器、連接器及相關(guān)工具，類似于Windows環(huán)境下的CCS軟件(在Windows環(huán)境下的CCS軟件用來編譯和調(diào)試DSP程序)。
    (3)Framework Component：負(fù)責(zé)DSP端的Memory和DMA資源管理。
    (4)xDAIS：定義了DSP算法接口的標(biāo)準(zhǔn)。
    (5)DSP/BIOS Link：是實(shí)現(xiàn)ARM和DSP之間通信的底層軟件。
    (6)Codec Engine：是DVSDK的核心，所有其他軟件模塊基本上都是圍繞Codec Engine來設(shè)計(jì)的。
2.2 DVSDK的安裝與編譯
    首先要在虛擬機(jī)上的Linux系統(tǒng)中安裝DVSDK軟件包。DVSDK軟件包可以從TI公司的官方網(wǎng)站上獲取，軟件包獲取后執(zhí)行如下命令即可實(shí)現(xiàn)其安裝：
    ./ dvsdk_setuplinux_3_01_00_10.bin
    完成安裝后會生成一個文件夾，里面包含了所有DVSDK軟件模塊。然后還需要對DVSDK內(nèi)部的一些文件進(jìn)行配置，主要的配置是指定各個模塊編譯所需要的編譯工具以及相應(yīng)目錄的相對位置，配置好以后就可以對各個模塊進(jìn)行編譯。
    編譯成功后，在DVSDK相應(yīng)的目錄下會生成cmem.ko（內(nèi)存管理模塊）、dsplink.ko（ARM與DSP連接模塊）、lpm_omap3530.ko（電源管理模塊）等內(nèi)核模塊。為了使ARM與DSP建立連接，必須要有DSPLINK模塊的支持，系統(tǒng)需要通過DSPLINK來完成ARM與DSP端之間底層的數(shù)據(jù)通信。DSPLINK提供了一套通用的API，從應(yīng)用層抽象出ARM與DSP的物理連接特性，從而降低用戶開發(fā)程序的難度。
2.3 內(nèi)存的分配
    由于ARM端運(yùn)行的是Linux操作系統(tǒng)，DSP端運(yùn)行的是DSP/BIOS操作系統(tǒng)，為了使兩個系統(tǒng)協(xié)同工作，兩者之間需要開辟一塊ARM端和DSP端共享的內(nèi)存空間。這部分的工作由CMEM來完成，所以在加載cmem.ko時，需要對其進(jìn)行內(nèi)存分配設(shè)置。CMEM還能夠?qū)?nèi)存的物理地址轉(zhuǎn)化為操作系統(tǒng)能夠識別的虛擬地址，避免了操作系統(tǒng)對物理地址的直接訪問。這樣無論是Linux操作系統(tǒng)還是DSP/BIOS操作系統(tǒng)都是通過CMEM對內(nèi)存進(jìn)行管理。
    加載完上述各個功能模塊后就可以開發(fā)可供ARM端調(diào)用的DSP程序。
3 供ARM端調(diào)用的DSP程序的開發(fā)
    為了開發(fā)可供ARM端調(diào)用的DSP程序，必須了解Codec Engine。Codec Engine是連接ARM和DSP協(xié)處理器的橋梁，是介于應(yīng)用層（ARM端的應(yīng)用程序）和信號處理層（DSP端的算法程序）之間的軟件模塊。在編譯DSP端和ARM端程序時，都需要Codec Engine的支持。當(dāng)ARM端應(yīng)用程序調(diào)用Codec Engine的VISA（Video，Image，Speech，Audio）API，例如圖2中VIDENC_process(a，b，c)時，Codec Engine的stub（ARM端）會把參數(shù)a、b、c以及要調(diào)用DSP端的process信息打包，通過消息隊(duì)列(message queue)傳遞到DSP。Codec Engine的skeleton(DSP端)會解開這個參數(shù)包，把參數(shù)a、b、c轉(zhuǎn)換成DSP端對應(yīng)的參數(shù)x、y、z；DSP端的server會根據(jù)process這一信息創(chuàng)建一個DSP端的process(x，y，z)任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)VIDENC_process(a，b，c)的操作。

    DSP端的算法程序開發(fā)一般有兩種：
    (1)在Windows的CCS下直接開發(fā)DSP端運(yùn)行的程序，然后打包成固定的格式，使其能夠被Codec Engine調(diào)用。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過優(yōu)化程序最大限度地提高DSP的運(yùn)行效率。目前大多數(shù)DSP雖然都支持C語言編程，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，具體的算法模塊以及比較耗時的功能模塊還是采用匯編語言來編寫。這是因?yàn)镃語言雖然具有易讀性、可移植性等優(yōu)點(diǎn)，但是它不便于對系統(tǒng)硬件資源的直接控制，無法發(fā)揮DSP自身的特點(diǎn)，無法充分利用DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有限的資源。特別是在硬實(shí)時性系統(tǒng)中，用匯編語言進(jìn)行編程可利用DSP自身硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對匯編程序進(jìn)行優(yōu)化和精簡，往往能夠使一些復(fù)雜的算法及功能模塊在實(shí)時性方面取得非常好的效果。但是這種方法也有其缺點(diǎn)，那就是算法程序的可移植性非常差，基本上針對每一個應(yīng)用都要開發(fā)不同的DSP程序，這是比較致命的問題。
    (2)通過DVSDK開發(fā)套件在宿主機(jī)上直接開發(fā)算法程序，其開發(fā)方法遵照TI公司制訂的基于eXpressDSP算法互用性標(biāo)準(zhǔn)。這種方法雖然會使DSP的運(yùn)行效率受到一定影響，但為系統(tǒng)的整體性能和二次開發(fā)提供了可靠的保證。下面以示例程序來說明其開發(fā)方法。
    ①進(jìn)入DVSDK安裝后生成目錄/dvsdk_3_01_00_10/codec_engine_2_25_02_11/examples/ti/sdo/ce/examples/codecs/imgdec_copy，如圖3所示。該目錄下的程序是DVSDK提供的示例程序，其中imgdec_copy.c是DSP端的程序，該程序?qū)崿F(xiàn)了將ARM端讀進(jìn)的in.bmp圖像拷貝成當(dāng)前目錄下的out.bmp圖像的功能。
 

    ③編譯ARM端的程序。進(jìn)入ARM端應(yīng)用程序目錄/dvsdk_3_01_00_10/codec_engine_2_25_02_11/examples/ti/sdo/ce/examples/apps/image_copy，如圖7所示。該目錄下app.c是在ARM端運(yùn)行的應(yīng)用程序，該程序的主要功能就是從當(dāng)前目錄讀取in.bmp文件，然后調(diào)用DSP端的程序，讓DSP去實(shí)現(xiàn)圖像拷貝。對該程序進(jìn)行編譯(執(zhí)行make命令)，編譯完成后會在該目錄的bin子目錄下生成ARM端的應(yīng)用程序app_remote.xv5T，如圖8所示。

    本文闡述了OMAP3530中兩種ARM和DSP協(xié)同開發(fā)方法，并對其進(jìn)行了比較。一種方法是在CCS下直接開發(fā)DSP端的算法程序，其優(yōu)點(diǎn)是能夠通過優(yōu)化算法程序最大限度地提高DSP端數(shù)字信號處理的效率，缺點(diǎn)是算法程序的可移植性差。另一種方法是利用DVSDK開發(fā)套件開發(fā)算法程序，其優(yōu)點(diǎn)是算法的可移植性好，能夠有效縮短開發(fā)周期，但是無法對DSP端運(yùn)行的算法程序進(jìn)行實(shí)時在線調(diào)試，而且DSP多流水線處理方式的優(yōu)勢難以得到充分發(fā)揮，所以算法程序也并不是最優(yōu)化的。在實(shí)際開發(fā)中，可以根據(jù)具體的情況選擇一種開發(fā)方法。
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