基于OMAP架構的無線終端雙核通信設計及優化

冀峰

摘要：針對OMAP架構處理器中Linux操作系統無法滿足強實時性應用的技術難題，提出了一種通用可靠、實時性強的雙核通信設計方法。通過事件同步和自陷中斷的方式提高了處理器的響應速度，通過乒乓緩沖設計實現了數據的零拷貝，顯著提高了操作系統的實時響應速度和穩定度，為雙核通信機制提供了一種標準化的設計方法，對于低成本、高性能無線終端的研制，具有積極的參考意義。

關鍵詞：OMAP架構；雙核通信；優化

中圖分類號：TN912.3文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）01-56-4

0引言

隨著PDT及LTE等通信技術的日益成熟，基于無線通信方式的終端應用需求也變得越來越廣泛[1-2]，其中，TI公司的OMAP架構是以DSP為基礎的開放式多媒體應用框架，采用雙核設計，把高運算性能的DSP核與控制性能強的ARM核結合起來，既可以實現多任務的調度管理，又可以滿足高算力的需求，在終端的設計中得到了廣泛應用[3-4]。

但是，針對無線通信而言，隨著時隙長度的縮小，其對空中接口的時延敏感度要求也更加嚴苛，因此，高可靠、低延遲的雙核通信機制設計成為制約終端業務性能的關鍵環節[5]。業內相關的研究主要集中在2個方面：一是更換操作系統，如采用美國風河公司的商用實時操作系統VxWorks來提高系統響應速度[6-7]；二是新增Linux實時補丁，但是由于占用較多的系統資源，對通信終端的實時性與業務性能都有一定的影響[8-9]。

因此，研究和設計原生、可靠、實時性高的雙核通信方式，是提高無線終端業務性能、降低設計成本的重要手段[10]。

1基于OMAP架構的終端雙核通信設計

1.1基于OMAP架構的終端軟件架構設計

采用集成SoC的硬件設計模式，選取異構雙核工業級處理器OMAPLI38作為無線終端的主處理器。

在OMAP芯片的設計中，非實時性任務和系統控制工作由ARM核完成，實時性任務一般由DSP核完成。ARM核和DSP核分別承擔應用處理（AP）和基帶處理（BP）的相應功能，二者具有獨立的快速指令緩沖存儲器、數據快速緩沖存儲器和DRAM，并帶有存儲器管理單元。此外，芯片還設計了統一的時鐘電源控制單元控制，可對芯片獨立進行時鐘和電源管理。

基于上述芯片的功能和特性，無線終端軟件架構設計如圖1所示。

ARM核作為無線終端的主控處理器，主要完成人機交互、界面呈現、外設控制、呼叫控制及用戶配置等功能。DSP核作為協議棧Layer1和音頻信號處理器，主要完成協議物理層處理和音頻處理等功能，完成中頻信號采集、信令編解碼、底層協議解析、音頻和空口數據收發控制等功能。

ARM核與DSP核之間通過DSP/BIOSlink進行通信。無線終端功能設計如圖2所示。

在OMAP架構下，ARM核與DSP核通過DSP/BIOS實現了雙核的無縫連接。首先ARM內核通過嵌入式Linux操作系統被開放，從而實現了外部應用通過操作系統API調用內部資源的需求。同時，通過DSP/BIOS接口，使得DSP的內部資源如ARM外設一樣，實現了整個芯片的資源共享。

1.2雙核通信機制及DSPLINK

OMAP架構的芯片中，DSPLINK組件提供了一套通用的API，從應用層抽象出ARM與DSP的物理連接特性。在ARM端，DSPLINK作為驅動層的一部分，用戶控件只需要調用DSPLINK組件提供的接口API就可以實現和DSP之間的通信。在DSP端，DSPLINK Driver是操作系統DSP/BIOS中驅動的一部分，只負責基于物理連接之上與ARM之間的交互。DSP端沒有提供基于組件DSPLINK的接口API，通信功能的發起是基于DSP/BIOS中的SIO，GIO，MSGQ等模塊來實現的。

1.3基于NOTIFY事件同步的雙核通信設計

在DSPLINK組件中，NOTIFY是作用于ARM和DSP雙核之間的通信事件，該事件可以同時傳遞32 bit的信息，一般作為核間通信的同步事件[11]。

在傳統的設計中，基于DSP/BIOS及DSPLINK，ARM與DSP的通信機制采用共享內存的方式進行數據交換，同時選擇使用NOTIFY事件進行處理器間的信息同步和處理[12-13]，雙核通信設計如圖3所示。

核間通信的共享內存分配在DSP的RAM地址空間中，該地址空間物理上位于Shared Memory存儲器中。在ARM端，對共享內存的讀寫采用PROC_write與PROC_read兩個接口API進行，在DSP端對共享內存的讀寫采用物理內存直接讀寫方式進行。

2雙核通信的緩沖及同步機制的優化

由于ARM上運行的嵌入式Linux操作系統并不是一個實時操作系統，因此在對實時性要求較高的通信設備中使用會受到較多限制，如在DSP核頻繁地向ARM核發起中斷時，可能出現響應不及時的情況。

以PDT無線數字集群通信終端為例，空口數據的時隙長度為30 ms，在實際的系統測試中，發現了多次的數據傳輸擁塞，導致空中接口的數據傳輸延遲、信令響應錯亂等問題。為提升無線終端的實時響應性能，設計做了如下改進。

2.1數據接收乒乓緩沖區切換

在接收空口數據側，由EDMA根據發送數據傳輸結束產生的內部中斷事件，作為發送語音緩沖區乒乓切換的信號。在中斷服務程序中根據乒乓標志對EDMA的源地址進行重新配置，源地址指向新的緩沖區，開始搬移新時隙的語音數據；而聲碼器新解碼的語音數據則根據乒乓標志放到另外一個緩沖區。乒乓緩沖區設置如圖4所示。

同時，針對較大數據量的傳輸，將接收緩沖區內的數據直接進行解碼處理，實現了數據的零拷貝，避免了內存的2次讀取和復制，提高了空口數據的處理效率，空口數據處理的乒乓機制如圖5所示。

2.2自陷軟中斷

在DSPLINK中，通過NOTIFY組件的事件通知（Notification）注冊功能，DSP應用程序通過發送事件同步通知ARM處理器。但是在Linux操作系統層面，事件的優先級要低于中斷，在實際測試中，存在CPU因調度繁忙而響應延遲的情況。

因此，本文通過將空口數據接收完成的事件觸發ARM核的高優先級中斷，以此來提高響應的優先級，在Linux內核中，將NOTIFY事件與軟中斷類型HI_SOFTIRQ相關聯，采用open_softirq（HI_SOFTIRQ，run_airdata_softirq）完成事件通知與中斷服務程序的綁定。

當NOTIFY事件產生時，內核自動通過raise_softirq（HI_SOFTIRQ）觸發軟中斷，進而進行空口數據的實時處理。在該設計中，操作系統通過高優先級系統調用的執行使用戶程序陷入內核，提高ARM核的處理優先級，保證響應的實時性。

2.3雙核通信的維護接口設計

為保證無線終端在運行過程中的穩定性及可靠性，設計中增加了相應的維護接口。

（1）心跳監測接口（KeepAlive）

為保證ARM與DSP兩個獨立處理器之間的功能同步正常，需要設置系統心跳接口。本文共享內存區開辟1個Word的空間，由DSP維護一個心跳計數器，按照接收空口時隙的數量進行計數，用于ARM核和DSP核之間的心跳監測。

（2）調試日志接口

基于DSPLINK的MSGQ接口，利用多線程實現DSP向ARM輸出日志的通道，由ARM核在低實時響應的條件下將調試日志輸出，避免了頻繁的日志輸出中斷對ARM核性能的影響，提供了全面的調試日志接口，解決了黑盒調試DSP的難題。

3試驗驗證

為驗證本文提出的雙核通信設計方法的可行性和有效性，在PDT窄帶無線數字集群終端上進行雙核通信實時性的相關試驗。在PDT的通信體制下，空口的時隙長度為30 ms，以此作為基準，通過測量集群終端處理器ARM端實際輸出的響應時間，來驗證雙核通信的實時性能。試驗結果如圖6和圖7所示。

圖6中，采用傳統的雙核通信方式，雙核之間通過NOTIFY事件同步，通過試驗結果可以看出，ARM端輸出的響應時間在30 ms上下波動，個別時刻抖動比較嚴重，峰值延遲達到5 ms左右，說明ARM核響應空中接口的實時性較差，無法保證持續、平穩、及時地響應DSP核的時隙驅動節拍，特別是在ARM端的負荷較重、多任務并發調度的情況下，經常會出現空口響應滯后，數據延遲等現象。

從圖7可以看出，采用改進的雙核通信方式，ARM端輸出的響應時間維持在30 ms，峰值波動范圍在±1 ms以內，相對于傳統的雙核通信方式，具有更好的連續性和平穩度。試驗證明，基于該模式的設計，無線終端對于空口時隙驅動響應時間維持在較高的水平，基本達到了實時響應的要求。

4結束語

本文提出的雙核通信改進設計方法已經在數字集群移動通信終端上完成工程應用，經過長時間的實際使用，雙核之間的通信穩定、可靠、實時性高，終端的通信效果良好，滿足OMAP架構下，DSP核與ARM核之間的大數據量、高頻度、強實時的通信要求。因此，改進后的雙核通信設計方法，為高性能、低成本的裝備和應用提供了設計思路，具有重要的工程參考意義。

參考文獻

[1]申梓昂.通信技術的應用與發展[J].通訊世界，2018（7）： 106-107.

[2]劉洪玉.PDT警用數字集群技術發展及應用[J].信息安全與技術，2013，4（7）：13-14，17.

[3]張貴庭.4G網絡發展的關鍵技術及前景[J].電子技術與軟件工程，2015（2）：15-16.

[4]龍志偉.基于4G技術在數據通信中的應用與發展分析[J].通訊世界，2017（9）：92-93.

[5]周創業.基于OMAP-L138的DMR數字集群通信協議基帶設計[D].成都：電子科技大學，2016.

[6]林淦，劉建群，許東偉，等.OMAPL138的雙核通信設計[J].機床與液壓，2014，42（22）：146-149，193.

[7]馮強，胡毅，于東，等.基于OMAP處理器的核間通信機制設計與實現[J].計算機工程，2014，40（4）：281-286.

[8]楊劍波，趙東標，劉念.基于OMAP3530數控系統的雙核通信設計[J].電子技術應用，2015，41（9）：33-35，38.

[9]羅云宜，奭陳，付威威，等.OMAP-L138核間通信高吞吐量圖像處理平臺及應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2016，16（10）：36-39.

[10]陳劍飛，劉勝旺.嵌入式虛擬化實時系統的研究與應用[J].機電信息，2019（24）：54-55.

[11]盧一光.基于OMAP-L138的六關節噴涂機器人控制系統研究與開發[D].廣州：廣東工業大學，2020.

[12]葛科勇，陳堅，傅正財.基于直接中斷觸發的OMAP-L138雙核通信設計[J].現代電子技術，2018，41（21）：16-20.

[13]付雪飛.基于OMAP-L138處理器的啟動驅動開發———雙核啟動NorFlash[J].數字技術與應用，2018，36（4）：166-167.