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1 引言 多路實時數(shù)字音頻系統(tǒng)采用TI公司的TMS320C5402數(shù)字信號處理芯片來實現(xiàn)，由于該系列芯片采用了改進的哈佛結(jié)構(gòu)，擁有專用的硬件乘法器和專為數(shù)字信號處理而設(shè)計的指令系統(tǒng)，快速的指令周期和良好的多DSP并行運行特性，使得DSP芯片非常適合于實時數(shù)字信號處理，廣泛應(yīng)用于無線通信、語音識別、工業(yè)控制、自動化儀器等領(lǐng)域。該系統(tǒng)用TMS320C5402芯片外接一個2X4路的A／D芯片Maxl25CEAX實現(xiàn)對多路數(shù)字音頻的實時處理，然后將處理數(shù)據(jù)通過PCI2040傳送到PC機進行后繼處理并保存，或從PC機接受命令進行相應(yīng)操作，實現(xiàn)PC機和DSP之間的數(shù)據(jù)傳送，需要DSP程序、應(yīng)用程序、驅(qū)動程序三者相互協(xié)調(diào)工作。 2 WindOWS管理體系 Win98體系結(jié)構(gòu)支持4種基本程序：管理程序、win32應(yīng)用程序、winl6應(yīng)用程序和DOS應(yīng)用程序，每種程序在不同的執(zhí)行環(huán)境中運行。(1)管理程序在Ring0層(核心態(tài))中的保護模式下運行，所以能訪問和控制實際硬件環(huán)境，管理程序是在實際機器上，而不是在虛擬機上運行，在所有構(gòu)成win98的組件中，只有VMM和驅(qū)動程序在管理程序的環(huán)境中執(zhí)行，可以直接對硬件進行操作。(2)Win32應(yīng)用程序和Winl6應(yīng)用程序都在Ring3層(用戶態(tài))的保護模式下運行，Win32應(yīng)用程序可以訪問4GB的虛擬內(nèi)存，而Winl6應(yīng)用程序只能訪問16MB的虛擬內(nèi)存。(3)DOS應(yīng)用程序運行在V86模式下，它也運行在Ring3層的訪問級別上，硬件訪問和中斷被隱藏和虛擬，該系統(tǒng)編寫的是32位應(yīng)用程序，它運行在虛擬環(huán)境之下，它對I／o端口的查詢，對一個內(nèi)存映射的外圍設(shè)備的查詢以及可能導致傳送到虛擬機之外的操作都會被Windows捕獲，所以其本身并不能直接訪問硬件和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，而需要通過驅(qū)動程序來完成。 即插即用(PnP)是微軟公司為了使新的硬件設(shè)備更加方便使用而采取的一種策略，PnP設(shè)備能夠自身識別、自動提出資源要求，并且可以在運行時接受資源分配。該系統(tǒng)開發(fā)中的PCI總線就是即插即用的。在即插即用的系統(tǒng)中的配置管理是由配置管理器來控制。配置管理器使用設(shè)備節(jié)點、設(shè)備節(jié)點樹、注冊表來保持數(shù)據(jù)；配置管理器由枚舉器、仲裁器、設(shè)備安裝器、設(shè)備驅(qū)動器4個主要軟件來工作；配置管理器的工作流程如圖1所示。 3 設(shè)備內(nèi)存映射方法 盡管驅(qū)動程序運行在核心層，但它所見的是平面內(nèi)存，只能用線性地址進行訪問。所有驅(qū)動程序?qū)?nèi)存的訪問都必須經(jīng)過頁表將線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址。因此，驅(qū)動程序在訪問一個特殊的內(nèi)存映射硬件之前，必須先配置頁表，保證設(shè)備的物理地址與一個線性地址相聯(lián)系。這個線性地址可以用作指針。驅(qū)動程序不能控制頁表，它必須調(diào)用虛擬機管理器提供的服務(wù)。 對老式非即插即用設(shè)備，只要給出設(shè)備內(nèi)存的物理地址和字節(jié)長度，獲取一般在硬件上手動設(shè)置，然后調(diào)用MapPhysToLinear()函數(shù)獲取此物理地址的線性地址，就可進行訪問。 對即插即用設(shè)備，其物理地址可以通過調(diào)用函數(shù)CM_Get_Alloc_Log_Conf()獲取，但因為在Windows運行期間，即插即用的物理地址可能改變，而MapPhys-ToLinear()函數(shù)返回的線性地址所對應(yīng)的物理地址不變，這樣就會造成訪問錯誤。對于物理地址可變的動態(tài)配置設(shè)備，驅(qū)動程序必須將內(nèi)存映射過程分成3步。 (1)使用PageReserve()函數(shù)，分配一塊線性地址空間。此空間并不和具體的物理地址相關(guān)聯(lián)，僅是線性地址的頁表進入項。 (2)使用PageCommitPhys()函數(shù)，將線性地址映射到設(shè)備的物理地址，此時對線性地址的操作就是在相應(yīng)的物理地址之上操作。 (3)使用LinPageLock()函數(shù)，阻止虛擬內(nèi)存管理器將這些頁交換到磁盤空間，以保證在硬件中斷期間，這些地址都是有效的。 當設(shè)備卸載時，驅(qū)動程序可以調(diào)用LinPageUnLock()，PageDecommit()，PageFree()來解除設(shè)備的內(nèi)存映射，這里每一個調(diào)用都是上述3步調(diào)用的反過程。 4 PCI配置寄存器訪問 根據(jù)PCI總線規(guī)范要求，任何PCI設(shè)備都必須提供256字節(jié)的配置空間，用來完成對設(shè)備的安裝、配置、引導和設(shè)備再定位等功能。在該系統(tǒng)中要求將HPI控制標志和狀態(tài)寄存器以及HPI控制空間映射到PC機內(nèi)存，所以必須對PCI2040配置寄存中的命令寄存器進行修改，從而實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)存映射。這需要通過32位配置地址端口(占用IO地址OxOcf8~OxOcfb)和32位配置數(shù)據(jù)端口(占用IO地址OxOcfc~OxOcff)訪問PCI配置寄存器。其中位于0xcf8的IO端口的寄存器相當于一個地址寄存器，位于0xcfc端口的寄存器相當于數(shù)據(jù)寄存器。配置數(shù)據(jù)端口中存放著配置地址端口中的配置地址所指向的內(nèi)存的內(nèi)容。配置地址端口寄存器各位的意義見表1。 因為PCI設(shè)備的總線號和PCI2040的功能號一般為0，所以只需變化設(shè)備號來尋找硬件的位置。圖2是基于Vtoolsd使用VC++6.0具體對PCI配置寄存器的訪問程序框圖。 5 HPI(Host Port Interface)寄存器介紹 PCI2040橋控制器可方便實現(xiàn)一個PCI插槽與4片C54x或C6x系列的DSP之間的通信，它提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑阂皇峭ㄟ^HPI口傳輸，另一種是通過GPBUS總線傳輸。其中GPBUS總線傳輸方式比較簡單但傳輸速率低，通過HPI口的傳輸可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信，所以在該系統(tǒng)中采用了HPI口傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健in98先獲取HPI寄存器的物理地址進行映射，然后用映射得到的線性地址就可以對HPI口進行訪問。 (1)HPI控制寄存器(HPIC)。可以被PC機和DSP訪問，它是一個16位的寄存器，其高8位和低8位表示的意義相同，低8位所表示的意義見表2。 (2)HPI地址寄存器(HPIA)。只可由PC機訪問，寄存器中保存了當前要訪問的DSP的片內(nèi)存儲器地址，它們可以被PC機映射，其映射空間大小為2K。 (3)HPI數(shù)據(jù)寄存器(HPID)。只可由PC機訪問，它的值隨HPIA變化而變化，它保存HPIA中地址所指向的DSP內(nèi)存數(shù)據(jù)的值。通過對它的讀寫，可以訪問相應(yīng)的DSP內(nèi)存的值，也可以設(shè)置成自增方式。這樣，每對它讀寫一次，HPIA的數(shù)據(jù)就自動加1，HPID相應(yīng)保存內(nèi)存中下一個16位數(shù)據(jù)。 6 驅(qū)動、應(yīng)用及DSP程序的設(shè)計 6.1 總體設(shè)計思想 為實現(xiàn)應(yīng)用程序和DSP程序在工作中的同步問題，將在DSP與PC機映射的內(nèi)存區(qū)間建立了一個公共標志數(shù)據(jù)區(qū)，用來傳送DSP和PC機的工作狀態(tài)和控制字。設(shè)有以下幾個公共標志數(shù)據(jù)區(qū)： (1)DSP狀態(tài)字(16位)。用來標識數(shù)據(jù)在傳送中DSP的工作狀態(tài)和命令(命令由DSP和PC機約定)。 (2)PC機狀態(tài)字(16位)。用來標識數(shù)據(jù)傳送中PC機的工作狀態(tài)和命令。 (3)數(shù)據(jù)起始位置字(16位)。用來標識數(shù)據(jù)傳送中，數(shù)據(jù)存放的起始位置。 (4)數(shù)據(jù)長度字(16位)。用來標識存放數(shù)據(jù)的長度。 (5)頻率設(shè)置字(16位)。用來控制輸入輸出頻率。 (6)保留字空間。用于以后擴展。 DSP與PC機之間采用中斷的通信方式，每次中斷發(fā)送之前，都先訪問以上的這些控制字，這樣就為PC機和DSP之間通信的協(xié)調(diào)帶來了很多的方便。整體設(shè)計框圖如圖3。 6.2 應(yīng)用程序設(shè)計 應(yīng)用程序要調(diào)用驅(qū)動程序來完成兩件事，一是獲取DSP采集的數(shù)據(jù)，二是將自己的數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP。應(yīng)用程序整體功能框架如圖4。 應(yīng)用程序只需通過CreateFile()函數(shù)來加載驅(qū)動程序，加載成功之后，應(yīng)用程序就可以通過調(diào)用Devi-ceIoControl()函數(shù)與驅(qū)動程序通信。 6.3 驅(qū)動程序設(shè)計 驅(qū)動程序在系統(tǒng)中起紐帶作用，它響應(yīng)DSP中斷，并向DSP發(fā)送中斷，傳送或讀取數(shù)據(jù)給應(yīng)用程序。 6.3.1 響應(yīng)DSP硬件中斷 Vtoolsd提供中斷類，可以方便地完成對中斷的響應(yīng)工作。其硬件中斷信號處理函數(shù)如下： BOOL MyHwInt：：OnSharedHardwareInt(VMHANDLE hVM) { ／／清除DSP上的中斷寄存器，加人中斷處理代碼。 ／／讀取公共數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)，按要求進程操作。 sendPhysicalEOI0； ／／完成中斷服務(wù)，打開中斷, ／／準備接受下一次中斷。 return FALSE； ／／因為中斷號是共享的， ／／此時必須返回FALSE。 } 6.3.2 與應(yīng)用程序通信 在Vtoolsd中使用VDevice類中的OnW32Devi-ceIoControl()函數(shù)響應(yīng)應(yīng)用程序發(fā)送的消息。同時驅(qū)動程序通過異步調(diào)用函數(shù)VWIN32 -QueueUserApc()向應(yīng)用程序傳送數(shù)據(jù)。驅(qū)動程序運行過程框架如圖5，其中虛線框的工作由DSP程序或應(yīng)用程序完成。 6.4 DSP程序設(shè)計 DSP程序?qū)崿F(xiàn)多路數(shù)字音頻信號實時處理，通過對定時器和Maxl25CEAX芯片的設(shè)置，實現(xiàn)采樣率可以變化的多路輸入輸出，通過向PC機發(fā)送中斷和響應(yīng)中斷，實現(xiàn)PC機保存數(shù)據(jù)和實時處理數(shù)據(jù)。DSP在內(nèi)存中開設(shè)兩個數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)存放在兩個數(shù)據(jù)區(qū)中交替進行。DSP的運行框架如圖6。 7 結(jié)束語 多路數(shù)字音頻系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試通過，并成功地在盲源信號實時分離系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。利用TMS320C54x系列DSP的實時信號處理能力，實現(xiàn)PC機與DSP通信在多路實時數(shù)字音頻系統(tǒng)、智能機器人等領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。 |
