DSP/BIOS環境下的數據通信原理

摘要：討論和比較DSP/BIOS環境下的各種通信方式，給出利用PIP管道對象進行數據通信的一個例子。文章的最后給出利用管道對象進行數據通信所需注意的一些問題和相應的解決方法。

引 言

在TI公司的DSP/BIOS環境下有3種通信方式，即基于管道（PIP，pipe）的通信、基于流（SIO，stream I/O）通道的通信以及基于主機（HST，host）通道的通信。每一種通信方式都是通過調度其相應的內核對象來完成的。DSP/BIOS提供了管理每一種通信方式的模塊及相應地API調用，通過這些模塊及調用，可以完成DSP環境下的輸入/輸出 （I/O）。本文在對各種通信方式進行簡要介紹的基礎上，對各種通信方式進行比較，并給出利用PIP對象進行數據通信的1個例子。

1 通信方式簡介

（1）主機通信

主機通信方式下，由HST對象完成主機與目標機之間的通信。HST對象靜態配置為輸入/輸出，每一個HST對象內部是用數據管道對象來實現的。

開發DSP應用時，可以應用HST對象來模仿數據流和測試程序算法對數據的處理。在程序開發的早期，特別是在測試信號處理算法時，程序使用輸入通道對象訪問來自主機文件中的數據，以及使用輸出通道對象把算法處理過的結果反饋回主機一側，以供查驗或比較。在程序開發的后期，當算法開發完畢時，可以把HST對象改回到PIP對象，通過利用PIP對象完成外設真實數據與目標應用程序之間的通信。

（2）管道通信

管道（PIP）對象用于管理塊I/O（也稱為基于流的I/O或者異步I/O）。每一個PIP對象維護著一個分為固定數量和固定大小的緩沖區（稱為幀）。所有的I/O操作在每一刻只處理1幀。盡管每一幀長度是固定的，但是應用程序可以在每一幀中放置可變數量的數據（但不能超過最大值）。管道有兩端，一端為寫線程，一端為讀線程。寫線程一端用于向管道中添加數據，讀線程一端用于從管道中讀取數據。管道能夠用于在程序內的任意2個線程之間傳遞數據。經常地，管道的一端由ISR控制，另一端由軟件中斷函數控制。數據通知函數（也稱為回調函數）用于同步數據的傳輸，包括通知讀函數和通知寫函數。當讀或寫1幀數據時，這些函數被觸發，以通知程序有空閑幀或者有數據可以利用。

（3）流通信

流是一個通道，通過它，數據在應用程序與 I/O設備之間傳輸。流通道可以是只讀的（用于輸入）或者只寫的（用于輸出）。它對所有I/O設備提供了一個簡單通用接口，允許應用程序完全不用考慮每個設備操作的細節。流I/O的一個重要方面是它的異步特性。當應用程序正在處理當前緩沖區時，一個新的輸入緩沖區正在被添充和以前的緩沖區正在被輸出。流交換的是指針而不是數據，這就大大減少了開銷，使得程序更能滿足實時約束的要求。流模塊（SIO）通過驅動程序來與不同類型的設備打交道。驅動程序由DEV（Device）模塊管理。

設備驅動程序是管理一類設備的軟件模塊。這些模塊遵從通用接口（由DEV提供），因此，流函數能夠發出普通請求。圖 1 給出了流與設備之間的交互示意圖。

（4）各種通信方式比較

DSP/BIOS支持兩種不同的數據傳輸模型，一種是管道模型，由PIP與HST模塊使用；另一種是流模型，由SIO與DEV模塊使用。2個模型都要求1個管道或者流具有1個讀線程和1個寫線程。2個模型都通過拷貝指針而不是數據來完成數據的拷貝。一般來說，管道模型支持低級通信，而流模型支持高級的、與設備無關的I/O。具體情況如表1所列。

表1 DSP/BIOS環境下通信方式的比較

管道對象（PIP與HST）流對象（SIO與DEV）

程序員必須創建自己的驅動程序提供了一種創建設備驅動程序的更加結構化方法

讀/寫線程可以是任意線程類型或者主機PC一端必須由使用SIO調用的任務（TSK）來處理，另一端必須由使用Dxx調用的HWI處理

PIP函數是非阻塞的，程序在管道寫或讀之間必須進行檢查，以確保緩沖區可利用SIO_put、SIO_get和SIO_reclaim是阻塞函數（SIO）_issue是非阻塞函數）

使用更少的內存，一般較快更加靈活，使用簡單

每個管道擁有自己的緩沖區緩沖區能夠從一個流傳輸到另一個流而不用拷貝

管道必須使用配置工具靜態地配置流可以在運行時刻創建或者使用配置工具靜態地配置

對推棧設備（stacking devic）沒有內建地支持提供對堆棧設備（stacking devic）的支持

使用HST（內部PIP實現）使得主機與目標機的通信容易起來DSP/BIO提供了大量的設備驅動程序

2 基于管道通信的一個例子

在基于以上分析的基礎上，給出利用管道進行通信的1個例子。該例是音頻處理的一個例子。數據從數據源輸入到編碼器以后經量化通過串行口輸入到目標機，目標機處理完畢后再經串行口發送到編碼器，由編碼器經揚聲器輸出。圖2給出數據的流程圖。

（1）管道設計

該例中，設計了DSS_rxPipe和DSS_txPipe兩個管道，其中DSS_rxPipe用于數據的接收，DSS_txPipe用于數據的發送。

（2）線程設計

由于每個管道分別對應1個讀寫線程，因此，發送管道與接收管道總共需要4個讀寫線程。本例中為了簡化設計，只設計了2個線程。其中，音頻處理函數（設計為軟件中斷SWI）既作為接收管道的讀線程又作為發送管道的寫線程；串行口接收中斷處理服務例程ISR既作為接收管道的寫線程又作為發送管道的讀線程。

每次中斷發生時，串行口中斷服務例程（ISR）把數據接收寄存器（DRR）中的數據字（32位）拷貝到數據接收管道的一空閑幀中。當1幀被填滿時，ISR把該滿幀寫到數據接收管道中（通過調用PIP_put），供該管道的讀線程（即音頻處理函數）讀取。音頻處理函數執行時，它讀取接收管道中的一滿幀，處理完畢后再把它寫到發送管道的一空閑幀中，供該管道的讀線程（即ISR）發送。每次ISR觸發時，它從發送管道中讀取一滿幀（若有的話），并每次32位字地發向串行口發送寄存器（DXR）直到1幀中的所有數據發送完畢。然后，該空閑幀被回收到發送管道，供音頻處理函數（即該管道的寫線程使用）。需要注意的是，由于例子當中發送速率與接收速率一樣，因此，中斷處理函數不但負責數據的接收也負責數據的發送，并且每次中斷執行時只發送1個32位字。

（3）需注意的問題

PIP_alloc和PIP_put由PIP對象的寫線程調用，PIP_get和PIP_free由PIP對象的讀線程調用，這種調用順序是非常重要的。若打亂這種調用順序，將會產生不可預測的后果。因此，每一次對PIP_alloc的調用都要跟著對PIP_put的調用才能繼續調用PIP_alloc；對于PIP_get，情況也是如此。

另外，為了避免PIP調用過程中產生遞歸，作為通知讀/寫函數的一部分，應該避免調用PIP API函數。如果為了效率起見必須要這樣做，那么對諸如此類的調用應該加以保護，以阻止同一管道對象的重入以及錯誤的PIP API調用順序。例如，在發送管道的通知讀函數以及接收管道的通知寫函數的開始部分，我們添加了如下語句，以避免遞歸調用：

static Int nested = 0；

…

if （nested）{/*防止由于調用PIP_get函數而產生的遞歸調用*/

return；

}

nested =1；

…

3 總 結

在DSP/BIOS提供的3種通信方式中，由于PIP對象的效率很高，因此使得它在基于DSP應用系統的輸入輸出中得到了廣泛的應用。但是，我們在利用其所提供的便利的同時，一定要妥善處理好通知讀/寫函數的編寫工作，以免發生遞歸調用，產生災難性的后果。