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创龙带您解密TI、Xilinx异构多核SoC处理器核间通讯

2020-9-8 09:39:19 1936 开发板 ARM FPGA Xilinx

1.什么是异构多核SoC处理器顾名思义，单颗芯片内集成多个不同架构处理单元核心的SoC处理器，我们称之为异构多核SoC处理器，比如：

ti的OMAP-L138（DSP C674x + ARM9）、AM5708（DSP C66x + ARM Cortex-A15）SoC处理器等；
Xilinx的ZYNQ（ARM Cortex-A9 + Artix-7/Kintex-7可编程逻辑架构）SoC处理器等。

2.异构多核SoC处理器有什么优势相对于单核处理器，异构多核SoC处理器能带来性能、成本、功耗、尺寸等更多的组合优势，不同架构间各司其职，各自发挥原本架构独特的优势。比如：

ARM廉价、耗能低，擅长进行控制操作和多媒体显示；
DSP天生为数字信号处理而生，擅长进行专用算法运算；
FPGA擅长高速、多通道数据采集和信号传输。

同时，异构多核SoC处理器核间通过各种通信方式，快速进行数据的传输和共享，可完美实现1+1>2的效果。

3.常见核间通信方式要充分发挥异构多核SoC处理器的性能，除开半导体厂家对芯片的硬件封装外，关键点还在于核间通信的软硬件机制设计，下面介绍几种在TI、Xilinx异构多核SoC处理器上常见的核间通信方式。

OpenCL

OpenCL（全称Open Computing Language，开放运算语言）是第一个面向异构系统通用目的并行编程的开放式、免费标准，也是一个统一的编程环境，便于软件开发人员编写高效轻便的代码，而且广泛适用于多核心处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、Cell类型架构以及数字信号处理器(DSP)等其他并行处理器，在能源电力、轨道交通、工业自动化、医疗、通信、军工等应用领域都有广阔的发展前景。
在异构多核SoC处理器上，OpenCL将其中一个可编程内核视为主机，将其他内核视为设备。在主机上运行的应用程序（即主机程序）管理设备上的代码（内核）的执行，并且还负责使数据可用于设备。设备由一个或多个计算单元组成。比如，在TI AM5728异构多核SoC处理器中，每个C66x DSP都是一个计算单元。

OpenCL运行时，一般包含如下两个组件：

主机程序创建和提交内核以供执行的API。
用于表达内核的跨平台语言。

参考开发资料：
http://downloads.ti.com/mctools/esd/docs/opencl
https://training.ti.com/sites/default/files/docs/Introduction_to_OpenCL_slides.pdf

DCE（Distributed Codec Engine）分布式编解码器引擎，是TI基于AM57x异构多核SoC处理器的视频处理框架，提供的完整Gstreamer插件框架。
DCE由三部分硬件模块组成，分别为MPU核心、IPU2核心以及IVA-HD硬件加速器，其主要功能如下：
MPU：基于ARM用户空间Gstreamer应用，控制libdce模块。libdce模块在ARM RPMSG框架上实现与IPU2的IPC通信。
IPU2：构建DCE server，基于RPMSG框架与ARM实现通信，使用编解码器引擎和帧组件控制IVA-HD加速器。
IVA-HD：实现视频/图像编解码的硬件加速器。

IPC（Inter-Processor Communication）是一组旨在促进进程间通信的模块。通信包括消息传递、流和链接列表。这些模块提供的服务和功能可用于异构多核SoC处理器中ARM和DSP核心之间的通信。

如下为TI异构多核SoC处理器常用的核间通信方式的优缺点比较：

方式	优点	缺点
OpenCL	易于在设备之间移植无需了解内存架构无需担心MPAX和MMU 无需担心一致性无需在ARM和DSP之间构建/配置/使用IPC 无需成为DSP代码、架构或优化方面的专家	无法控制系统内存布局等以处理优化的DSP代码
DEC	加速多媒体编解码处理在与Gstreamer和TI Gstreamer插件连接时简化多媒体应用程序的开发	不适合非编解码算法需要努力添加新的编解码算法需要DSP编程知识
IPC	完全控制DSP配置能够进行DSP代码优化在多个TI平台上支持相同的API	需要了解内存架构需要了解DSP配置和编程仅限于小型消息（小于512字节） TI专有API

AXI（Advanced eXtensible Interface）是由ARM公司提出的一种总线协议，Xilinx从6系列的FPGA开始对AXI总线提供支持，目前使用AXI4版本。

ZYNQ有三种AXI总线：
（A）AXI4：（For high-performance memory-mapped requirements.）主要面向高性能地址映射通信的需求，是面向地址映射的接口，允许最大256轮的数据突发传输。
（B）AXI4-Lite：（For simple, low-throughput memory-mapped communication.）是一个轻量级的地址映射单次传输接口，占用很少的逻辑单元。
（C）AXI4-Stream：（For high-speed streaming data.）面向高速流数据传输,去掉了地址项，允许无限制的数据突发传输规模。
AXI协议的制定是要建立在总线构成之上的。因此，AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream都是AXI4协议。AXI总线协议的两端可以分为分为主（master）、从（slave）两端，他们之间一般需要通过一个AXI Interconnect相连接，作用是提供将一个或多个AXI主设备连接到一个或多个AXI从设备的一种交换机制。
AXI Interconnect的主要作用是：当存在多个主机以及从机器时，AXIInterconnect负责将它们联系并管理起来。由于AXI支持乱序发送，乱序发送需要主机的ID信号支撑，而不同的主机发送的ID可能相同，而AXI Interconnect解决了这一问题，他会对不同主机的ID信号进行处理让ID变得唯一。
AXI协议将读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道、写响应通道分开，各自通道都有自己的握手协议。每个通道互不干扰却又彼此依赖。这是AXI高效的原因之一。

4.IPC核间通信开发下面以创龙AM57x(AM5728/AM5708)评估板源码为例，讲解IPC核间通信开发。

开发环境说明

RTOS Processor-SDK 04.03.00.05。
Linux-4.9.65/Linux-RT-4.9.65内核。
IPC开发包版本：3.47.01.00。

IPC(Inter-Processor Communication)提供了一个与处理器无关的API，可用于多处理核心环境中的核间通信、与同一处理核心上的其他线程的通信(进程间)和与外围设备(设备间)的通信。IPC定义了以下几种通信组件，如下表所示，这些通信组件的接口都有以下几个共同点：

Notify	MessageQ
ListMp	GateMp
HeapBufMp	FrameQ（通常用于raw视频数据）
HeapMemMp	RingIO（通常用于音频数据）

所有IPC通信组件的接口都由系统规范化命名。
在HLOS端，所有IPC接口需要使用_setup()来初始化，使用_destroy()来销毁相应的IPC Module；部分初始化还需要提供配置接口_config()。
所有的实例化都需要使用_create()来创建，使用_delete()来删除。
在更深层次使用IPC时需要用_open()来获取handle，在结束使用IPC时需要用_close()来回收handle。
IPC的配置多数都是在SYS/BIOS下完成配置的，对于支持XDC配置的则可以使用静态配置方法。
每个IPC模块都支持trace信息用于调试，而且支持不同的trace等级。
部分IPCs提供了专门的APIs来用于提取分析信息。

本小节主要演示MessageQ通信组件的运用。

MessageQ机制

MessageQ模块特点

支持结构化发送和接收可变长度消息。
一个MessageQ都将有一个读者，多个编写者。
既可用于同构和异构多处理器消息传递，也可用于线程之间的单处理器消息传递。
功能强大，简单易用。

MessageQ机制代码解释

MessageQ的传输，主要区分为发送者，跟接收者,下述为常用API的功能描述：

MessageQ_Handle MessageQ_create (String name, MessageQ_Params *params)：创建消息队列，创建队列名称将成为后面MessageQ_open的依据。
Int MessageQ_open(String name , MessageQ_QueueId * queueId)：打开创建的消息队列，获取队列ID值(ID值应为唯一值，所以创建消息队列时名称要唯一)。
MessageQ_Msg MessageQ_alloc(UInt16 heapId, UInt32 size)：申请消息空间，从heap中申请，所以需要先打开heap获取heapID，消息由MessageQ_Msg结构体长度规定。
MessageQ_registerHeap(HeapBufMP_Handle_upCast(heapHandle),HEAPID)：注册堆，分配heapID给这个堆，作为一个唯一标识符。
Int MessageQ_put(MessageQ_QueueId queueId, MessageQ_Msg msg)：发送消息到queueId对应的消息队列。
Int MessageQ_get(MessageQ_Handle handle,MessageQ_Msg *msg,UInt timeout)：从消息队列中接收消息。
MessageQ_free(MessageQ_Msg *msg)：释放msg空间，注意不用的消息空间需要释放，不然会导致内存问题。

以ex02_messageq例程为例，说明MessageQ机制的使用过程：

例程运行流程图如下：

结合实际代码分析上述流程：
ARM：
a)创建host消息队列，打开slave消息队列。

b)发送消息至slave消息队列，监听host消息队列，等待返回信息。

c)发送shutdown消息至slave队列。

DSP：
a)创建slave消息队列。

b)监听slave消息队列，并返回消息至host端。

c)接收shutdown消息，停止任务。

内存访问与地址映射问题

地址映射

首先，对于DSP/IPU子系统和L3互连之间的存储器管理单元（MMU），都用于将虚拟地址（即DSP/IPU子系统所查看的地址）转换为物理地址（即从L3互连中看到的地址）。
DSP：MMU0用于DSP内核，MMU1用于本地EDMA。
IPU：IPUx_UNICACHE_MMU用于一级映射，IPUx_MMU用于二级映射。
rsc_table_dspx.h，rsc_table_ipux.h资源表中，配置了DSP/IPU子系统的映射关系，在固件启动前，该映射关系将会写入寄存器，完成映射过程。

物理地址跟虚拟地址之间的映射关系查看：
DSP1：（默认配置mmu1的配置与mmu2的配置是一样的）
cat /sys/kernel/debug/omap_iommu/40d01000.mmu/pagetable
cat /sys/kernel/debug/omap_iommu/40d02000.mmu/pagetable

DSP2：（默认配置mmu1的配置与mmu2的配置是一样的）
cat /sys/kernel/debug/omap_iommu/41501000.mmu/pagetable
cat /sys/kernel/debug/omap_iommu/41502000.mmu/pagetable

IPU1：
cat /sys/kernel/debug/omap_iommu/58882000.mmu/pagetable

IPU2：
cat /sys/kernel/debug/omap_iommu/55082000.mmu/pagetable

Resource_physToVirt(UInt32pa,UInt32*da);
Resource_virtToPhys(UInt32da,UInt32*pa);

内存访问

CMA内存
CMA内存，用于存放IPC程序的堆栈，代码以及数据段。
dts文件中，预留了几段空间作为从核的段空间（DDR空间）：

IPC-demo/shared/config.bld：用于配置段空间的起始地址，以及段大小。

以DSP1为例，说明DMA中的内存映射关系：

通过系统中查看虚拟地址表，左边da（device address）对应的为虚拟地址，右边对应的为物理地址，那么虚拟地址的0x95000000的地址映射到的应该是0x99100002的物理地址。
cat /sys/kernel/debug/omap_iommu/40d01000.mmu/pagetable

共享内存
共享内存：其实是一块“大家”都可以访问的内存。
CMEM是一个内核驱动（ARM），是为了分配一个或多个block（连续的内存分配），更好地去管理内存的申请（一个或多个连续的内存分配block），释放以及内存碎片的回收。
CMEM内存：由linux预留，CMEM驱动管理的一段空间。
arch/arm/boot/dts/am57xx-evm-cmem.dtsi中定义了CMEM，并预留了空间出来作为共享内存（DDR & OCMC空间）。

cmem{}中最大分配的block数量为4个，cmem-buf-pools的数量没有限制。
实际使用上，DSP与IPU访问的都是虚拟地址，所以还要完成虚拟地址到物理地址的映射关系。
dsp1/rsc_table_dsp1.h定义了虚拟地址到物理地址的映射表，虚拟地址（0x85000000）到物理地址0xA0000000的映射，那么在DSP端访问0x85000000的地址时，实际上通过映射访问的物理地址应是0xA0000000。

cat /sys/kernel/debug/omap_iommu/40d01000.mmu/pagetable

实际应用：
a)初始化cmem。

b)申请内存空间，并转换为物理地址（msg传输的时候传输的是物理地址，否则传输虚拟地址有不确定性）。

DSP端的处理：接收物理地址，转换为虚拟地址进行操作，发送操作完成的结果。这里DSP需要将地址返回给ARM的话，那应该将虚拟地址转换为物理地址，再传给ARM端。