基于DSP處理系統的多路數據傳輸方法與實現

余福榮 ，羅海波 ，胡 宇 ，張志芳

(1.中國空間技術研究院503所，北京10086；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽110016)

數字信號處理器（DSP）廣泛應用于圖像處理、通信與醫療等海量數據處理領域。在很多基于DSP的多路實時數據處理系統[1]中，需要將大量的數據傳輸到DSP片內存儲器進行實時處理，因此如何實現多路海量數據傳輸，充分發揮DSP的數據處理能力，是實時數據處理系統的關鍵技術之一。

傳統基于DSP的數據傳輸方法一般采用中斷或者查詢方式實現，都是通過CPU控制程序來傳送數據，降低了CPU的使用效率。TI公司C6x系列DSP具有增強型直接存儲器訪問（EDMA）控制器[2]，它在后臺控制數據讀寫，實現數據傳輸，不占用 DSP的CPU資源，從而提高了DSP的數據處理能力。EDMA控制傳輸方法已應用于許多基于DSP的處理系統[3-4]中，但是，大多系統沒有使用EDMA傳輸鏈方式，參考文獻[4]雖采用了EDMA傳輸鏈技術，但它只是使用EDMA傳輸鏈實現其數據傳輸主通道EDMA參數的更新，是針對小量串數據傳輸設計的，不適用于多路大量數據傳輸。

本文提出一種EDMA多通道傳輸鏈乒乓結構的數據傳輸方式，實現多路大量數據的高效同步傳輸，大大提高了數據傳輸效率。

1 EDMA3控制機制[5]

EDMA3是TI公司的第三代直接存儲器訪問控制器，有64個通道，每個通道有一個特定的事件與之關聯，每個事件相當于一個同步信號，由這些事件觸發相應通道的數據傳輸。

1.1 EDMA3通道控制器

EDMA3通道控制器(EDMA3CC)可以捕獲多達64個事件，包括外部事件、直接寫事件寄存器或EDMA通道鏈事件。捕獲EDMA事件后，事件隊列邏輯根據對應通道設置給該事件分配隊列，隊列中事件按先進先出順序進行處理。隊列中先處理的事件根據其通道參數集配置發送傳輸請求，EDMA3傳輸控制器(EDMA3TC)接收到傳輸請求后啟動數據傳輸。

1.2 參數RAM(PaRAM參數集)

EDMA3控制器是基于RAM結構的，在DSP片內RAM中采用統一地址空間存儲EDMA3通道參數，共有256個參數RAM(PaRAM參數集)，每個參數集長度為8個32位數據，具體參數包括數據源地址、目的地址、傳輸數據大小、數據索引以及通道選項(OPT)等。參數結構如圖1所示。

圖1 PaRAM參數結構

1.3 EDMA的鏈接

當通道選項OPT中參數鏈接控制位STATIC設為0時，在一次傳輸申請后，EDMA控制器會自動根據鏈接地址裝載下一次傳輸需要的參數，這樣就可將不同的傳輸參數集鏈接起來，形成一個參數鏈，為同一個通道服務。當OPT中傳輸完成鏈接后使能位TCCHEN設為1，同時設置OPT中傳輸完成號字段TCC為需要鏈接的通道號N，在當前通道事件觸發EDMA控制傳輸完成后，就會觸發N通道事件，啟動該通道的EDMA控制數據傳輸，實現EDMA的多通道鏈傳輸。

2 基于EDMA傳輸鏈的多路數據傳輸方法

圖2 基于EDMA傳輸鏈的多路數據傳輸方法

本方法實現的示意圖如圖2所示。在數據發送端，設計多個RAM緩存對用于緩存多路數據，并根據多路數據間的關聯生成一個同步信號，鏈接到處理端DSP的EDMA通道1上，用于觸發該通道的數據傳輸。同時，在數據接收端DSP內，對應設計多個Buffer緩存對用于接收多路數據，并配置多個EDMA通道，每個EDMA通道控制1路數據傳輸，將數據傳輸方式設置為多通道傳輸鏈乒乓傳輸方式，通道1鏈接到通道 2，通道2鏈接到通道3，通道3再鏈接到其他通道。

首先，在數據發送端，采用乒乓方式同時緩存多路數據，一個緩存用于數據接收緩存，另一個緩存用于數據發送。接收完數據后，產生的同步信號觸發處理端DSP的EDMA通道1控制數據傳輸。在數據處理端，同樣采用乒乓方式接收數據，一個用于緩存數據接收，另一個緩存中的數據可用于處理。通道1數據傳輸完成后啟動EDMA通道2數據傳輸，通道2數據傳輸完成后啟動EDMA通道3數據傳輸，實現多路數據的同步傳輸。

相對于通常采用的多個EDMA通道單獨控制傳輸方式，本方法主要優點是：（1）只需要一個同步事件，避免了多個EDMA同步事件傳輸競爭，使得數據傳輸有序而可靠。（2）一次同步傳輸只需一個傳輸完成中斷服務程序，節省了多個中斷服務程序所需時間。（3）數據處理端接收到的多路數據已經按EDMA事件同步，節省了數據同步處理時間，提高了系統的實時性。（4）本方法在數據發送與處理端都采用乒乓方式傳輸，確保數據傳輸的高效率與可靠性。

3 多路圖像處理系統的數據傳輸實現

3.1 系統工作原理

本圖像處理系統主要由DSP、FPGA和圖像源構成，其中DSP采用 TI公司的 TMS320C6455芯片，FPGA使用XC4VLX60芯片。整個系統的工作流程為：FPGA同時采集3路數字圖像，然后進行預處理，并產生同步信號，觸發DSP的EDMA控制3路圖像數據傳輸到DSP，在DSP中進行3路圖像數據的實時處理。為了提高系統的實時性，一次同步只連續傳輸3路圖像的16行數據，傳輸完的數據即可進行相關處理。該圖像處理系統工作原理如圖3所示。

圖3 多路圖像處理系統工作原理

3.2 系統數據傳輸的實現

在FPGA中設計3對PING/PONG緩存，分別用于存儲3路圖像數據，每個緩存的大小設為能存儲16行的圖像數據量；同時，設計了一個同步控制模塊，該模塊根據3路圖像的幀場同步與行計數產生一個同步信號，并將該信號連接到DSP的GPIO5上，用來觸發DSP的EDMA控制數據傳輸。同樣，在DSP中設計3對PING/PONG緩存分別用于接收3路圖像數據，同時設計3個通道分別控制3路數據傳輸，并將EDMA設為多通道傳輸鏈的工作模式。

根據自身實際情況和《國民營養計劃（2017—2030年）》的內容和要求，定期開展營養和食品安全監測與評估。

FPGA以乒乓緩存方式分別接收完3路圖像16行數據后，產生一個同步信號，該信號觸發DSP的EDMA通道1進行圖像1數據傳輸；傳輸完該圖像16行數據后，EDMA自動鏈接到通道2傳輸圖像2數據；傳輸完圖像2數據后，EDMA又會自動鏈接到通道3傳輸圖像3數據，一次同步傳輸完成3路16行圖像數據傳輸。

3.3 EDMA多通道傳輸鏈的設計

FPGA輸出的同步信號鏈接到 DSP的GPIO5、GPIO5事件對應的EMDA通道為53，用于控制圖像1數據傳輸；控制圖像2與圖像3的傳輸通道分別設為6與7通道。其中，53通道采用64與65參數集對(對應地址為0x02A04800和0x02A04820)配置EDMA實現數據乒乓傳輸。同樣，6通道采用72與73參數集對，7通道采用80與81參數集對。

本文EDMA參數集配置代碼采用TI公司提供的C6455片級支持庫CSL函數[6]進行設置。以53通道 64參數集為例進行說明，其他通道參數設置類似。

其中53通道64乒參數集的關聯配置代碼如下：

將OPT的STATIC設置為0，實現EDMA通道的乒乓傳輸，并將53通道參數集OPT的TCCHEN設置為1，TCC設置為6，將53通道鏈接到6通道。同樣，將53通道的TCCHEN設置為1，TCC設置為7，將6通道鏈接到7通道；將7通道TCCHEN設置為0，TCC設置為0，關閉通道鏈接功能。具體EDMA多通道傳輸鏈示意圖如圖4所示。

其中53通道64參數集OPT字段的配置代碼如下：

其他參數設計如下：SRC(通道源地址)設置為片外FPGA的3路緩存映射地址，乒乓緩存分別映射到DSP內存的不同空間；DST(通道目的地址)設置為 Buffer-Ping/BufferPong地址，實現乒乓接收數據。本設計采用一維傳輸，只需設置 ACNT、BCNT與 CCNT值，其他 BCNT、SRCBIDX等傳輸參數采用默認值0即可，一次傳輸16行圖像數據，需將3個通道的ACNT設置為16x720。LINK設置參數的連接地址，本軟件設計通過參數集句柄關聯方式設置LINK鏈接地址，53通道參數集對的鏈接句柄分別為hParamY_Pong與hParamY_Ping，對應的地址為0x04820和0x04800，其他通道設置類似。

其中53通道64參數集其他主要配置代碼如下：

圖4 EDMA多通道傳輸鏈

4 實驗結果與分析

表1 一次傳輸時間與效率統計表

實驗測試平臺為基于TMS320C6455的實時圖像處理系統，系統時鐘為1 000 MHz，DSP與 FPGA之間的傳輸速率為 100 MHz，傳輸圖像大小為 720×576，一次同步傳輸 16×720個圖像 1數據、16×720個圖像 2數據以及16×720個圖像 3數據。

實驗結果如表1所示。完成一次16行3路圖像數據傳輸，采用多個通道傳輸需要3個EDMA通道事件，并需要3個傳輸完成中斷服務程序，接收后需要做同步處理。而采用多通道鏈傳輸只需要1個EDMA通道事件以及1個傳輸完成中斷服務程序，接收后不需要做同步處理。

由表1實驗數據可知，采用EDMA多通道鏈傳輸方法，數據傳輸總體效率提高了18%。由于數據傳輸由EDMA在后臺控制完成，不占用 CPU資源，CPU資源節省率達到66%。

文中主要論述了基于DSP處理系統的多路數據傳輸方法與實現過程，創新地提出了一種EDMA多通道傳輸鏈乒乓傳輸方法，實現多路數據同步傳輸。實驗結果表明，采用該方法實現多路數據傳輸，能大大提高數據傳輸效率，節省CPU資源，減少系統時延，并且避免了多個EDMA事件與中斷的競爭，提高數據傳輸的可靠性與系統穩定性。

本文方法已成功應用到某型號無人機項目中，數據傳輸穩定可靠，可以廣泛應用在基于DSP的多路數據處理系統中。

[1]李波，孟慶磊.基于通用DSP的多路視頻編碼器的優化實現[J].電子學報，2006，34(11)：2104-2017.

[2]Texas Instruments Inc..TMS320C6000 DSP enhanced direct memory access(EDMA)controller reference guide[Z].2005.

[3]陸軍，高樂，劉濤.基于 DSP與 FPGA的全景圖像處理系統設計與實現[J].電子技術應用，2012，38(6)：24-26.

[4]楊俊波，趙繼敏.基于 TI6000系列DSP的多路信號采集系統[J].工業控制計算機，2008，21(1)：56-59.

[5]Texas Instruments Inc..TMS320C6455 enhanced DMA(EDMA3)controller user′s guide[Z].2007.

[6]Texas Instruments Inc..TMS320C6455 chip support library API reference guide[Z].2006.