TI基于DSP+ARM的双核架构如何相互通信

Posted 2022-08-18 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

1 通信结构简介

针对当前应用的复杂性，SOC芯片更好能能满足应用和媒体的需求，集成众多接口，用ARM做为应用处理器进行多样化的应用开发和用户界面和接口，利用DSP进行算法加速，特别是媒体的编解码算法加速，既能够保持算法的灵活性，又能提供强大的处理能力。德州仪器（TI）继第一系列Davinci芯片DM644x之后，又陆续推出了DM643x，DM35x/36x，DM6467，OMAP35x，OMAPLx等一系列ARM＋DSP或ARM＋视频协处理器的多媒体处理器平台。众多有很强DSP开发经验的工程师，以及应用处理开发经验的工程师都转到使用达芬奇或OMAP平台上开发视频监控、视频会议及便携式多媒体终端等产品。基于ARM+DSP的芯片架构，如何进行开发实现做期望的嵌入式应用呢？ 
传统的芯片，基本是一个处理器内核，或者是通用处理器如ARM，或者是DSP。对于控制和用户接口，一般用通用处理器实现，算法处理或者媒体处理则依赖于DSP或者硬件芯片，很多系统都是双芯片的架构。开发模式也比较单纯，比如ARM芯片，有ARM的的仿真工具，基于OS之上进行应用开发；DSP有DSP的开发工具，如TI的CCS以及510、560的仿真器，可以进行算法的移植、优化、跟踪、调试等。这时，所需要的经验也比较单一。 

          基于ARM+DSP的双核架构，很多工程师不知道如何入手进行开发，提出了很多的疑问，比如对ARM工程师，很困惑的是如何使用DSP的资源？如何进行数据的交互？如何保持双核之间的同步？对DSP工程师，则问到如何进行ARM调试？如何启动DSP？如果进行媒体加速，如何操作外设获取或发送数据等。基于不同的开发经验和基础，ARM工程师和DSP工程师会从完全不同的角度来看SOC的芯片，以至于拿到SOC的芯片根本不知道如何入手，这里就本人的经验与大家分享一下。 

         首先ARM+DSP的芯片，他是一个双核的，对应ARM和DSP分别是不同的指令集和编译器，可以把SOC的芯片看成是两个单芯片的合成，需要两套不同的开发工具，CCS3.3可以进行芯片级的调试和仿真，但是对应ARM和DSP需要选择不同的平台。一般来说，ARM上面跑操作系统，比如Linux，Wince等，在ARM上的开发，除了bootloader以外，基本都是基于OS的开发，比如驱动，内核裁减，以及上层应用等，需要的调试和仿真主要靠log或者OS提供的调试器，如KGDB，Platform Builder等。基于DSP核的开发和传统单核DSP一样，需要用CCS+仿真器来进行开发调试。 

     其次，对于芯片的外设接口，ARM核和DSP核都可以访问，典型的情况是ARM控制所有的外设，通过OS上的驱动去控制和管理，这部分和传统的ARM芯片类似；DSP主要是进行算法加速，只是和memory打交道，为了保持芯片的资源管理的一致性，尽量避免由DSP去访问外设。当然，根据具体的应用需求，DSP也是可以控制外设接口进行数据的收发，这时，需要做好系统的管理，避免双核操作的冲突。 
     

          对memory的使用，非易失的存储空间，比如NAND、NOR Flash，基本也是由ARM访问，DSP的算法代码作为ARM端OS文件系统的一个文件存在，通过应用程序进行DSP程序的下载和DSP芯片的控制。外部RAM空间，即DDR存储区，是ARM和DSP共享存在的，但是在系统设计的时候，需要把ARM和DSP使用的内存严格物理地址分开，以及预留出一部分用来交互的内存空间。一般情况，ARM是用低端地址，DSP通过CMD文件分配高端地址，中间预留部分空间用来做数据交互，比如在OMAP3的Linux下的DVSDK中，128MB的DDR空间被分成三部分，低端地址从0x8000000到0x85800000-1的88MB空间给Linux内核使用；从0x85800000到0x86800000-1的16MB给CMEM的驱动，用来做ARM和DSP的大块数据交互，从0x86800000到0x88000000-1的24MB是DSP的代码和数据空间。 

      芯片的启动也是需要重点考虑的问题，一般情况下，是ARM启动，和传统的单核ARM一样，支持不同的启动方式，比如可以支持NAND，NOR，UART，SPI，USB，PCI等接口启动。DSP默认处于复位状态，只有通过ARM的应用下载代码并且解除复位以后，DSP才能跑起来。有些应用场景，需要DSP直接从外部上电就自启动，有些芯片也是支持这种模式的。 

        最后，关于芯片的通信和同步，这个是困扰很多工程师的问题，为了便于客户的开发和使用，TI提供了DSPLINK，CODEC ENGINE的DVSDK开发套件，基于DVSDK可以很方便的进行ARM+DSP的应用开发，下面对DVSDK的软件架构，各个软件模块的功能等做简要介绍。 

        DVSDK是多个软件模块的集成，包括纯DSP端的软件模块，ARM的软件模块和双核交互的软件模块。DVSDK的软件包都是基于实时软件模块（Real-Time-Software-Component：RTSC）的，还需要安装RTSC的工具XDC，XDC是TI开源的一个工具，可以支持跨平台的开发，能够最大程度的代码重用；如果需要进行纯ARM的开发，还需要ARM的编译工具以及Linux内核或者Wince的BSP；如果需要进行DSP的算法开发或者DSP端开执行代码生成，还需要安装DSP的编译器cgtools和DSP/Bios；为了便于配置生成DSP端的可执行代码，通过向导生成Codec的RTSC包和可执行代码，还可以选装ceutils和cg_xml。 

         DVSDK的核心是Codec Engine，所有的其他软件模块基本都是围绕Codec Engine的。Codec Engine是连接ARM和DSP的桥梁，是介于应用层（ARM侧的应用程序）和信号处理层（DSP侧的算法）之间的软件模块，在编译DSP端可执行代码和ARM端应用程序时，都需要Codec Engine的支持。Codec Engine主要有两部分： 
 ARM端应用适配层，提供了精简的API和对应的库给应用层使用。 
 DSP的算法调用层，提供了DSP算法的接口封装规范，是的所有的算法通过简单的配置就可以编译到DSP的可执行程序中。 
最终的应用程序需要通过Codec Engine的API接口来下载DSP代码，调用DSP端的封装好的算法，以及进行ARM和DSP的通信。 

    关于Codec Engine的介绍，可以参考《帮您快速入门Codec Engine》。 

        Codec Engine底层ARM和DSP的通信是建立在DSP/BIOS Link之上的，DSP/BIOS Link真正实现ARM和DSP交互的软件模块。由于DSP/BIOS Link是跨平台的，也是有ARM部分和DSP部分组成，其中在ARM端，包括基于OS的驱动和供应用调用的库文件，DSP端，必须要用DSP/BIOS，DSP的可执行代码需要包含DSP/BIOS Link的库文件。DSP/BIOS

Link常用的主要有如下几部分的软件模块： 
 PROC相关的，主要是用来做DSP芯片的控制，比如启动，停止等，下载DSP的可执行代码，以及直接读写DSP端的memory空间等 
 MSGQ相关，ARM和DSP的通信是基于MSGQ的，MSGQ有轮询等待的方式或者中断的方式，MSG是基于共享内存池的方式。Codec Engine通过MSGQ交互一些关键数据，比如控制，和一些大块数据的地址指针等。大量的数据交互需要通过cmem实现。 

 在ARM端，配合Codec Engine使用的软件模块有LinuxUtils或者WinceUtils，包含cmem，SDMA等，cmem是用来在OS之外分配连续物理内存空间，进行物理地址到虚地址，以及虚地址到物理地址空间转化的。为了避免数据的多次复制，需要开辟一块ARM和DSP共享的数据空间，ARM和DSP都可以直接访问，这部分空间需要通过CMEM管理。对ARM来说，CMEM是OS上的一个驱动程序，需要通过IOCTL来实现内存分配或者地址空间转化。由于DSP可以访问任何物理地址空间，通过ARM传给DSP的指针必须是物理地址。 

 为了适配一些播放器的接口，DVSDK还提供了DMAI（Digital Media Application Interface），DMAI提供了更为精简的媒体接口和基于OS的音视频捕捉、回放等接口，在Linux下的gstreamer和Wince下的dshow filter都是基于DMAI的。并且DMAI也提供了最基本的测试应用例子，可以很方便的进行修改和测试。 

如果只是调用现成的或者第三方的算法库，可以只了解ARM端的软件模块，Codec Engine或者DMAI已经提供了丰富的应用接口，DSP可以认为是个单纯的媒体加速器，把ARM+DSP的芯片当作ASIC一样使用。如果要充分发挥DSP的性能，就需要对DSP进行开发了。Codec Engine对DSP的算法只是规范了接口，以便于和Codec Engine一起生成DSP的可执行程序。 

  开发DSP算法的工程师，和传统的单核的DSP开发模式类似，只需要操作DSP核，基于CCS进行算法开发，最后封装成xDM的接口就可以了。具体如何进行DSP的打包，如何生成DSP的可执行程序，在后续的文章继续讨论。

1.OMAP-L138+FPGA开发板简介
        深圳信迈设计的XM138F-IDK-V3是一款DSP+ARM+FPGA三核高速数据采集处理开发板，适用于电力、通信、工控、医疗和音视频等数据采集处理领域。

此设计采用OMAP-L138+Spartan-6平台，其中OMAP-L138是德州仪器（TI）低功耗高性能浮点DSP C6748+ARM9双核处理器，而Spartan-6是赛灵思（Xilinx）平台升级灵活、性价比极高的FPGA处理器。此设计通过OMAP-L138的uPP、EMIF等通信接口将两个芯片结合在一起，而OMAP-L138内部的DSP和ARM通过DSPLINK/SYSLINK进行双核通信，实现了需求独特、灵活、功能强大的DSP+ARM+FPGA三核高速数据采集处理系统。

2.OMAP-L138+FPGA开发板资源框图 

  

 

图1 OMAP-L138+FPGA三核高速数据采集处理资源框图

框架解析：

前端由Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45 FPGA采集两路AD数据，采样率最高可达65MHz。AD数据通过uPP或者EMIF总线传输至OMAP-L138的DSP。 
D数据被DSP处理之后，通过DSPLINK或者SYSLINK双核通信组件被送往ARM，用于应用界面开发、网络转发、SATA硬盘存储等应用。
OMAP-L138的DSP或者ARM根据处理结果，将得到的逻辑控制命令送往FPGA，由FPGA控制板载DA实现逻辑输出，更新速率175MSPS。
（1） 高速数据采集前端部分由Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45 FPGA同步采集两路AD模拟输入信号，可实现对AD数据进行预滤波处理，AD采样率最高可达65MSPS。另外一路DAC可输出任意幅值和任意波形的并行DA数据，更新速率175MSPS。

（2） 高速数据传输部分由uPP、EMIF、SPI和I2C通信总线构成。大规模吞吐量的AD和DA数据，可通过uPP总线在DSP和FPGA之间进行高速稳定传输；DSP可通过EMIF总线对FPGA进行并行逻辑控制和进行中等规模吞吐量的数据交换；ARM可通过SPI和I2C对FPGA端进行初始化设置和参数配置。

（3） 高速数据处理部分由DSP核和算法库构成。可实现对AD和DA数据进行时域、频域、幅值等信号参数进行实时变换处理（如FFT变换、FIR滤波等）。

（4） DSP+ARM双核通信部分由DSP核、ARM核和DSPLINK/SYSLINK双核通信组件构成。通过内存共享方式，实现DSP和ARM双核之间的数据交换和通信。

（5） 数据显示存储拓展部分由ARM核、图形显示、网络和SATA硬盘等部分构成。通过ARM的应用界面可实时显示AD和DA的时域和频域波形；并可实现大数据存储和远程网络通信。

 4.Xilinx Spartan-6 FPGA高速数据采集前端逻辑实现

 

Xilinx Spartan-6 FPGA——XC6SLXx

XC6SLXx是Xilinx Spartan-6系列应用广泛、性价比极高的FPGA平台，共有324个管脚，提供了大量可用IO 、具有良好的平台升级能力、合理的硬件成本差异和平滑的规模提升特性，可根据实际需求使用LX9、LX16、LX25、LX45等型号。此外，四个CPU型号之间Pin to Pin兼容。

（1） XC6SLX9：接口级，具备接口编程能力及时钟控制能力。 

（2） XC6SLX16：算法级，可进行简单的算法处理。 

（3） XC6SLX25：算法级，可进行中级算法处理。 

（4） XC6SLX45：系统级，可满足更加复杂的算法和系统逻辑处理需求。

高速ADC——AD9238

AD9238是ADI公司推出的业界采样率最快12Bit双通道A/D转换器，电压输入范围1Vp-p和2Vp-p可选，广泛应用于电力、通信、工控、医疗等高速数据采集应用场合。

AD9238分3种型号，采样率分别是20 MS/s、40 MS/s和65 MS/s。不仅可提供与单通道A/D转换器同等优异的动态性能，并且与使用两个单通道A/D转换器相比，AD9238还具有更好的抗串扰性能，三种型号可实现Pin to Pin兼容，可根据实际需求灵活配置。

AD9238的3种型号功耗分别为180mW、330mW和600mW，只有同类A/D转换器一半的功耗，采用64脚LQFP封装（尺寸只有9mm x 9mm），非常适合在对尺寸要求严格的场合中使用。

高速DAC——AD9706

AD9706是ADI公司推出的12Bit、更新速率为175MSPS 的D/A转换器，输出电流范围1mA~5mA，广泛应用于通信、工控、医疗、电力等高速数据输出应用场合。 

///均为175MSPS更新速率的D/A转换器，并且此4款DAC芯片Pin to Pin兼容，分辨率分别为8/10/12/14位。此系列器件针对低功耗特性进行了优化，同时保持出色的动态性能，具有灵活的电源电压范围(1.7V~3.6V)，十分适合便携式和低功耗应用。通过降低满量程电流输出，功耗可以降至15 mW，在省电模式下，待机功耗可降至2.2 mW。 

AD9748/AD9740/AD9742/AD9744系列D/A转换器与以上系列D/A转换器也是Pin to Pin兼容（LFCSP_VQ封装），专门针对通信系统的发射信号路径进行了优化。用户可根据性能、分辨率和成本要求，向上或向下选择适合的器件。

5.Xilinx Spartan-6 FPGA和TI OMAP-L138通信实现

图6 FPGA与OMAP-L138通信原理

 

高速通信总线——uPP

uPP（Universal Parallel Port）是OMAP-L138 CPU颇具特色的高速并行数据传输总线，可以单独发送和接受数据，也可以同时接收和发送数据，常用于和FPGA以及其他并口设备数据传输。

OMAP-L138的uPP 共有2个通道（通道A和通道B），共有32位数据线，控制简单，配置灵活，数据吞吐量大。uPP时钟速率可高达处理器时钟速率的一半，对于在456MHz下运行的OMAP-L138处理器，uPP单通道吞吐量理论值可高达228MB/s。

6.TI OMAP-L138的DSP和ARM双核通信实现

图14 OMAP-L138 DSP+ARM双核通信原理

 

基本原理

TI官方的DSPLINK/SYSLINK双核通信组件提供了一套通用的API，从应用层抽象出ARM与DSP的物理连接特性，从而降低用户开发程序的复杂度。其中DSPLINK使用DSP/BIOS操作系统，SYSLINK使用SYS/BIOS操作系统，SYSLINK属于DSPLINK的新版本双核通信组件。

在ARM和DSP的双核通信开发中，ARM端运行HLOS操作系统（一般是Linux），DSP端运行RTOS实时操作系统（一般是DSP/BIOS或者SYS/BIOS），双核主频456MHz。

优势

（1） SOC 片上DSP+ARM架构可实现稳定的双核通信，缩短了双核通信开发时间。

（2） DSPLINK/SYSLINK双核通信组件突破了双核开发瓶颈，节约了研发成本。

（3） SOC上的DSP和ARM架构简化了硬件设计，降低了产品功耗和硬件成本。

 
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后面介绍两款DSP+ARM的开发板， 一款是AM5728，另一款是OMAPL138。

2 OMPAL138评估板简介

基于TI OMAP-L138（定点/浮点 DSP C674x+ARM9）+ Xilinx Spartan-6 FPGA处理器；

• OMAP-L138 FPGA 通过uPP、EMIFA、I2C总线连接，通信速度可高达 228MByte/s；OMAP-L138主频456MHz，高达3648MIPS和2746MFLOPS的运算能力；
• FPGA 兼容 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45，平台升级能力强；
• 开发板引出丰富的外设，包含千兆网口、SATA、EMIFA、uPP、USB 2.0 等高速数据传输接口，同时也引出 GPIO、I2C、RS232、PWM、McBSP 等常见接口；
• 通过高低温测试认证，适合各种恶劣的工作环境；
• DSP+ARM+FPGA三核核心板，尺寸为 66mm*38.6mm，采用工业级B2B连接器，保证信号完整性； Ø
• 支持裸机、SYS/BIOS 操作系统、Linux 操作系统。

图1 开发板正面和侧视图

XM138F-IDK-V3.0 是一款基于深圳信迈XM138-SP6-SOM核心板设计的开发板，采用沉金无铅工艺的4层板设计，它为用户提供了 XM138-SP6-SOM核心板的测试平台，用于快速评估XM138-SP6-SOM核心板的整体性能。

XM138-SP6-SOM引出CPU全部资源信号引脚，二次开发极其容易，客户只需要专注上层应用，大大降低了开发难度和时间成本，让产品快速上市，及时抢占市场先机。不仅提供丰富的 Demo 程序，还提供详细的开发教程，全面的技术支持，协助客户进行底板设计、调试以及软件开发。

2 典型运用领域

数据采集处理显示系统
智能电力系统
图像处理设备
高精度仪器仪表
中高端数控系统
通信设备
音视频数据处理

图2 典型应用领域

3 软硬件参数

开发板外设资源框图示意图

图3 开发板接口示意图

图4 开发板接口示意图

3 AM5728开发板XM5728-IDK-V3。

功能介绍：

• 基于 TI AM5728 浮点双 DSP C66x +双 ARM Cortex-A15 工业控制及高性能音视频处理器；
• 多核异构 CPU，集成双核 Cortex-A15、双核 C66x 浮点 DSP、双核 PRU-ICSS、双核 Cortex-M4 IPU、双核 GPU 等处理单元，支持 OpenCL、OpenMP、SysLink IPC 多核开发；
• 强劲的视频编解码能力，支持 1 路 1080P60 或 2 路 720P60 或 4 路 720P30 视频硬件编解码，支持 H.265 视频软解码；
• 支持高达 1 路 1080P60 全高清视频输入和 1 路 LCD + 1 路 HDMI 1.4a 输出；
• 双核 PRU-ICSS 工业实时控制子系统，支持 EtherCAT、EtherNet/IP、PROFIBUS 等工业协议；
• 高性能 GPU，双核 SGX544 3D 加速器和 GC320 2D 图形加速引擎，支持 OpenGL ES2.0；
• 外设接口丰富，集成双千兆网、PCIe、GPMC、USB 2.0、UART、SPI、QSPI、SATA 2.0、I2C、DCAN 等工业控制总线和接口，支持极速接口 USB 3.0；
• 开发板引出 V-PORT 视频接口，可以灵活接入视频输入模块；
• 体积极小，大小仅 86.5mm*60.5mm；
• 工业级精密 B2B 连接器，0.5mm 间距，稳定，易插拔，防反插，关键大数据接口使用高速连接器，保证信号完整性。

二、典型应用领域

工业 PC&HMI
工业机器人
机器视觉
医疗影像
电力自动化
EtherCAT 主/从控制器
工业多协议智能网关
高端数控系统