摘 要：通過使用IDT70261 雙端口RAM 實現(xiàn)了ARM 與TMS320C6211 DSP 之間的高速實時數(shù)據(jù)通信，給出了雙端口RAM 與TMS320C6211 和ARM 的硬件連接圖和ARM 驅(qū)動編寫細節(jié)。

　　后PC 時代，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，利用嵌入式系統(tǒng)進行數(shù)字信號處理與傳輸成為可能。在ARM 和DSP 構(gòu)成的雙處理器系統(tǒng)中，嵌入式作為主設(shè)備，主要完成數(shù)據(jù)處理、存儲與網(wǎng)絡(luò)傳輸工作，而DSP 作為從設(shè)備需要負責復雜的算法實現(xiàn)。

　　在此高速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中，隨著采樣數(shù)據(jù)量的增大和處理任務(wù)的增加，對數(shù)據(jù)的傳送要求越來越高，如果在兩個系統(tǒng)端口之間沒有能夠高速傳送數(shù)據(jù)的接口，將會造成數(shù)據(jù)傳送的阻塞，嚴重影響系統(tǒng)的實時性與處理數(shù)據(jù)的能力，因此此系統(tǒng)設(shè)計的重點之一是主從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。本文介紹用雙端口RAMIDT70261 完成TMS320C6211DSP 與嵌入式ARM920T之間的數(shù)據(jù)通信。

　　1 IDT70261雙端口RAM功能簡介

　　IDT70261 是美國IDT 公司生產(chǎn)的高速16K×16 的雙端口SRAM，其典型功耗為750mW，它具有兩個等級的存取時間：商業(yè)級有 15/20/25/35/55 ns （max），工業(yè)級有20/25/35/55ns （max）。雙端口RAM 有兩個完全獨立的端口，它們各自有一套相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，允許兩個控制器單獨或異步的讀寫其中任意一個存儲單元。兩個端口具有同樣的對雙端口RAM 的讀寫操作能力，但是當兩個端口同時對同一地址進行讀寫操作時，會因為數(shù)據(jù)的沖突而造成存儲或讀取的錯誤。對同一存儲單元的操作存在以下四種情況：

　?。?） 兩個端口不同時對同一地址單元進行讀寫數(shù)據(jù)。

　?。?） 兩個端口同時對同一地址單元進行讀出數(shù)據(jù)。

　　（3） 兩個端口同時對同一地址單元進行寫入數(shù)據(jù)。

　?。?） 兩個端口同時對一個地址單元，一個寫入數(shù)據(jù)，另一個讀出數(shù)據(jù)。

　　前兩種情況不會造成對雙端口RAM的讀寫錯誤，第三種情況會造成寫入數(shù)據(jù)的錯誤，第四種情況會造成讀出錯誤。為了避免對雙端口RAM 造成讀寫錯誤，IDT70261 有以下幾種仲裁控制方法。

　　1.1 遇忙邏輯控制

　　當雙端口同時對同一地址單元進行控制時，IDT70261 提供一種/BUSY 控制機制。雙端口不對同一地址單元進行控制時，兩個端口的/BUSY 引腳都為高，左右兩個端口均可正常訪問存儲空間。當兩個端口對同一地址單元進行存取時，一個端口的/BUSY 引腳為高（允許對存儲空間的讀寫操作），另一個端口的引腳為低（禁止對存儲空間的讀寫操作），哪一個請求信號在前，其端口引腳為高，另一個為低。兩個端口請求讀寫的時間差最小為5ns，當時間小于5ns 時，系統(tǒng)會自動允許一個引腳讀寫，屏蔽另外一個引腳，防止出現(xiàn)對同一地址單元的讀寫錯誤。

　　1.2 中斷控制機制

　　IDT70261 具有中斷輸出功能，中斷工作時，雙端口RAM 的兩個最高地址單元3FFE、3FFF 作為“郵箱”來傳遞相應(yīng)的命令。當中斷功能不使用時，3FFE、3FFF兩個單元作為正常的存儲單元使用。下面介紹中斷工作原理。

　　左端口寫地址單元3FFF，/INTR 變?yōu)橛行Вǖ碗娖剑?，向右端口發(fā)送中斷請求，右端口響應(yīng)中斷請求后，可向3FFF 地址單元執(zhí)行一次讀操作，清除中斷標志（/INTR 變?yōu)楦唠娖剑Ｍ恚叶丝趯懙刂穯卧?FFE，/INTL 變?yōu)橛行Вǖ碗娖剑蜃蠖丝诎l(fā)送中斷請求，左端口響應(yīng)中斷請求后，可向3FFE 地址單元執(zhí)行一次讀操作，清除中斷標志（/INTL 變?yōu)楦唠娖剑?/p>

　　1.3 令牌傳遞原理

　　IDT70261 內(nèi)部有8 個獨立于雙端口RAM 的邏輯鎖存單元，用來標明共享的雙端口RAM 是否正在使用。在此工作模式下，/SEM 用作鎖存器的“片選”信號，地址線A2~A0 用來尋址8 個標志鎖存器，數(shù)據(jù)線D0用來標志鎖存器的狀態(tài)。

　　端口向鎖存器寫入0 表示申請控制權(quán)，寫入1 表示放棄使用權(quán)。當左端口要使用雙端口RAM 時，先寫入0 到標志鎖存器，然后讀出標志鎖存器的狀態(tài)，若讀出的值為0，則左端口獲得該存儲單元的使用權(quán)；若讀出的值為1，表明右端口正在使用該存儲單元。

　　此時，左端口要么循環(huán)檢測鎖存器狀態(tài)，直到右端口使用結(jié)束，要么向鎖存器寫入1，撤銷請求。同理，若右端口使用雙端口RAM 時，仍按照上述步驟進行操作［1，2］。

　　2 基于IDT70261的接口電路

　　本系統(tǒng)為視頻數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，當攝像頭采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP 壓縮編碼后輸入到雙端口RAM 芯片中，ARM 處理器接收到數(shù)據(jù)請求后，接收圖像數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行存儲和傳輸工作，最終將圖像經(jīng)過解碼顯示在終端PC 機上。

　　基于IDT70261 的接口電路圖如圖1 所示，此系統(tǒng)采用中斷控制機制，雙端口RAM 的一些功能引腳并不需要全部使用。雙端口RAM 的左端是ARM920T芯片，右端是TMS320C6211 DSP 芯片。雙端口RAM兩個獨立的數(shù)據(jù)線D0L-D15L 和D0R-D15R 分別與ARM920 芯片和DSP 芯片連接，地址線A0L-A13L 和A0R-A13R 也分別與上述兩芯片連接。/CE 為芯片使能引腳，R/W 為讀寫控制引腳，/OE 為輸出使能引腳，/INT 為中斷標志引腳，/BUSY 為遇忙控制引腳，其連接電路如圖1 所示。

　　圖1 接口電路

　　3 數(shù)據(jù)通信的軟件實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)采用中斷控制方式來實現(xiàn)對雙端口RAM的讀寫操作。DSP 主要負責圖像數(shù)據(jù)壓縮工作，壓縮后的數(shù)據(jù)傳送給雙端口RAM.傳送數(shù)據(jù)時，DSP 向信令字單元3FFF 寫入‘55H’，在ARM 方產(chǎn)生中斷后，ARM 讀信令字單元3FFF，如果是‘55H’，說明數(shù)據(jù)正在傳輸，讀完數(shù)據(jù)后，向信令字單元3FFE 寫入‘AAH’，代表讀完數(shù)據(jù)。DSP 接收到中斷后，讀信令字單元3FFEH，如果為‘AAH’，表示傳輸數(shù)據(jù)成功。

　　ARM完成整個系統(tǒng)的實時控制，對雙端口RAM的圖像數(shù)據(jù)進行讀取然后經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳遞給PC 機，因此需要驅(qū)動程序來實現(xiàn)雙端口RAM與ARM之間的數(shù)據(jù)通信。驅(qū)動程序是應(yīng)用程序與硬件之間的接口，用戶可以通過驅(qū)動程序來間接的實現(xiàn)對硬件的讀寫控制操作。雙端口RAM 的驅(qū)動程序主要任務(wù)是讀雙端口RAM 數(shù)據(jù)到用戶空間、把用戶空間命令寫入雙端口RAM 相應(yīng)地址以及相應(yīng)雙端口RAM 產(chǎn)生的中斷。在驅(qū)動程序中，最主要的結(jié)構(gòu)便是file_operation，在里面包含了對文件的打開、關(guān)閉、讀寫和其他控制函數(shù)，file_operation 結(jié)構(gòu)如下：

　　在使用設(shè)備之前需要對設(shè)備進行初始化，包括配置ARM 接口寄存器、注冊設(shè)備、申請中斷和分配虛擬地址空間等。配置寄存器和注冊申請工作在加載模塊時實現(xiàn)，分配資源工作在dualram_open 函數(shù)內(nèi)實現(xiàn)。

　　配置接口寄存器，AT91RM9200 具有一個EBI 接口，可以方便的連接各種存儲設(shè)備，可以使用EBI 接口中的SMC 來控制讀寫，由CS4 接口來控制雙端口RAM 的使能信號，通過向相應(yīng)寄存器內(nèi)寫入控制字來實現(xiàn)ARM 對雙端口RAM 的端口初始化工作。

　　在初始化函數(shù)init_dualram 中，用register_chrdev將雙端口RAM 注冊為一個字符型設(shè)備，用request_irq為設(shè)備申請相應(yīng)的中斷資源，函數(shù)如下：

　　myirq=request_irq（AT91RM_IRQ1，dualport_inter，SA_INTERRUPT，“dualram”，NULL）

　　在裝載驅(qū)動時進行注冊和申請，在卸載模塊時必須進行注銷，即在dualram_exit 內(nèi)執(zhí)行unregister_chrdev 和free_irq 來釋放資源。

　　Linux 無法直接訪問某一物理地址空間，必須通過虛擬地址空間的映射機制來完成訪問。映射工作在dualram_open 函數(shù)內(nèi)完成，因此每次打開設(shè)備都會完成此工作。所要用到的地址資源和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

　　#define dualram_base_addr 0x60000000

　　#define dualram_size ox3fff

　　u16 *remaddr

　　通過使用函數(shù)remaddr = ioremap （dualram_base_addr ，dualram_size）；進行虛擬地址映射，此后就可以使用remaddr 來完成對實際雙端口RAM 空間的訪問了。

　　為了有效的提高數(shù)據(jù)傳輸效率，驅(qū)動程序與應(yīng)用程序之間采用異步通知的機制，這樣上層應(yīng)用程序便可以知道RAM 中的數(shù)據(jù)量是否達到閾值，而不用采用輪詢的方式，占用處理器資源。異步通知機制分三步完成，首先需要讓內(nèi)核知道驅(qū)動程序與哪個進程通信，當進程使用系統(tǒng)函數(shù)fcntl 執(zhí)行F_SETOWN 命令時，設(shè)備文件擁有者（owner）的ID 號會被記錄在flip-》f_owner 中，此時內(nèi)核知道了與驅(qū)動進行通信的進程，然后應(yīng)用程序調(diào)用fcntl 的F_SETFL 命令來激活異步通知機制，這樣新數(shù)據(jù)到達時輸入文件便可發(fā)送一個SIGIO 信號到flip-》f_owner 中指定的進程。

　　圖像數(shù)據(jù)到達后，Linux 內(nèi)的應(yīng)用程序完成對數(shù)據(jù)的讀寫操作，寫操作函數(shù)為：dualram_write，就是利用copy_from_user 把用戶空間的數(shù)據(jù)寫入到雙端口RAM中，讀操作函數(shù)：dualram_read，就是利用copy_to_user把雙端口RAM 中的數(shù)據(jù)讀入到用戶空間中［5，7］。

　　4 測試結(jié)果

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)的測試環(huán)境是ARM 920T 與TMS320C6211 通過網(wǎng)絡(luò)與PC 互連構(gòu)成一個簡單的局域網(wǎng)。通過網(wǎng)絡(luò)抓包軟件可以統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，通過CCS 分析工具分析系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)的量化階距越高，圖像的壓縮比率越大，所獲得的圖像質(zhì)量越差，本系統(tǒng)設(shè)置的量化階距設(shè)置為75.經(jīng)測試本系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：圖像的壓縮格式為JPEG，分辨率為BMP（240×160），最大編碼速度為15 幀/秒，數(shù)據(jù)流量為50-200kbps，網(wǎng)絡(luò)采用UDP/IP 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)接口為RJ-45 100Mbps.

　　5 結(jié)語

　　本文結(jié)合了嵌入式圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，介紹了通過雙端口RAM 實現(xiàn)ARM920T 與 TMS320C6211 DSP 之間的通信。利用雙端口RAM 的強大功能可以實現(xiàn)各種形式的處理器之間的高速數(shù)據(jù)通信。在信號處理領(lǐng)域和高速數(shù)據(jù)采集中，利用雙端口RAM的幾種不同仲裁機制，可以完成不同的數(shù)據(jù)傳送要求。用它構(gòu)成的接口電路具有傳送速率高、實時性好、可靠性高、電路簡單等優(yōu)點。