周佳兵，潘澤躍，曹 飛（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 230027）

0 引言

TI公司提出了eXpressDsp軟件技術(shù)，在軟件開發(fā)層面上推出了BIOS+RF5+算法標(biāo)準(zhǔn)XDAIS架構(gòu)。XDAIS規(guī)范了DSP算法軟件的開發(fā)，提供了類似面向?qū)ο缶幊讨械念惖姆庋b方式的算法接口，使得算法集成變得簡(jiǎn)單統(tǒng)一。RF5作為DSP軟件開發(fā)的起步代碼參考框架，以DSP/BIOS為基礎(chǔ)，利用其中的數(shù)據(jù)處理元素和數(shù)據(jù)通信元素可以方便地完成復(fù)雜算法應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)。但在實(shí)際工作中，XDAIS算法、RF5框架的使用卻顯得相對(duì)較少，導(dǎo)致實(shí)際開發(fā)的程序過于臃腫，代碼移植性較差，這主要因?yàn)閄DAIS算法接口的調(diào)用、RF5框架的層次化封裝相對(duì)復(fù)雜。如何規(guī)范使用XDAIS與RF5，使得音視頻、網(wǎng)絡(luò)通信等包含大量算法、多線程通道的復(fù)雜應(yīng)用程序的開發(fā)更為簡(jiǎn)便已成為廣大DSP開發(fā)者的迫切需求。

1 RF5框架

RF5主要實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)管理、線程模型和通道封裝三個(gè)功能。RF5基本框架結(jié)構(gòu)如圖1[1]所示。RF5框架通過驅(qū)動(dòng)開發(fā)套件（DDK）[2]完成應(yīng)用層與底層硬件的交互；以DSP/BOIOS為基礎(chǔ)，通過對(duì)XDAIS算法的封裝完成應(yīng)用程序的開發(fā)。芯片支持庫（CSL）[3]作為驅(qū)動(dòng)模塊與底層硬件的橋梁為各種外設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)調(diào)用。

圖1 RF5框架結(jié)構(gòu)框圖

RF5框架包含4個(gè)基本數(shù)據(jù)處理元素：線程（TASK）、通道（CHANNEL）、核（CELL）、XDAIS 算法。 它們處于依次包含的關(guān)系。每一個(gè)線程可以包含多個(gè)通道，并順序執(zhí)行所包含的通道，用以完成特定的操作；通道是核的集合，核在通道內(nèi)也被順序執(zhí)行；核內(nèi)封裝了XDAIS算法，一個(gè)核便是包含一種XDAIS算法的容器，并提供了供外部調(diào)用的核對(duì)象接口（ICELL）以及核通信管理模塊ICC對(duì)象。

2 XDAIS算法庫封裝

2.1 抽象算法接口與實(shí)例算法接口

XDAIS是為了提高DSP軟件開發(fā)效率而提出的一套通用算法接口標(biāo)準(zhǔn)。XDAIS算法可以重復(fù)利用且以庫的形式在程序中被調(diào)用。為統(tǒng)一算法開發(fā)規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)提供一系列規(guī)則[4]，如XDAIS算法不允許直接訪問硬件外設(shè)，必須通過標(biāo)準(zhǔn)的資源管理接口（IALG）來實(shí)現(xiàn)。

IALG抽象接口IALG_Fxns[5]，也叫算法成員對(duì)象列表或V-表，主要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理、創(chuàng)建和銷毀算法實(shí)例對(duì)象。其內(nèi)部有 3 個(gè)重要結(jié)構(gòu)字段：algAlloc（）、algFree（）和algInit（）。algAlloc（）和 algFree（）表 示 內(nèi) 存 的 分 配 和 釋放，algInit（）用來初始化算法參數(shù)并使內(nèi)存指向算法的處理空間。三個(gè)字段都不能為NULL。

在具體應(yīng)用時(shí)，需要另外創(chuàng)建算法實(shí)例接口IXX_Fxns（XX表示要實(shí)現(xiàn)的具體算法名），該接口包含了算法的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)聲明。以JPEG解碼算法為例，定義的算法實(shí)例接口代碼如下：

typedef struct IJPEGDEC_Fxns{

IALG_Fxns ialg；

XDAIS_Int32（*decode）（IJPEGDEC_Handle

handle，XDAS_Int8**in，XDAS_Int8*out）；

}IJPEGDEC_Fxns；

IJPEGDEC_Fxns是IALG_Fxns的擴(kuò)展。IJPEGDEC_Fxns中聲明了具體解碼實(shí)現(xiàn)函數(shù)decode（）。在應(yīng)用程序中調(diào)用decode（）函數(shù)，需要將整個(gè) XDAIS算法封裝成庫，在應(yīng)用程序所在的工程中加載該庫，并調(diào)用該庫提供的接口decode（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)解碼運(yùn)算。

2.2 算法庫封裝實(shí)現(xiàn)

XDAIS的特點(diǎn)是，主要內(nèi)存的分配和銷毀不再由具體的算法負(fù)責(zé)，而是據(jù)據(jù)XDAIS算法內(nèi)存使用規(guī)則及內(nèi)存分配字段函數(shù)alg_alloc（）予以分配。抽象算法接口函數(shù)調(diào)用流程如圖2所示。

圖2 抽象算法接口函數(shù)調(diào)用流程圖

實(shí)際算法框架搭建步驟是：首先啟動(dòng)XDAIS算法組件向?qū)Вx算法接口標(biāo)示，如JPEGDEC_TI_IJPEGDEC，JPEGDEC表示算法功能為JPEG解碼，TI表示算法持有人。在向?qū)е卸x輸入輸出參數(shù)結(jié)構(gòu)體，聲明內(nèi)存表結(jié)構(gòu)、核心處理函數(shù)XX（）等內(nèi)容，生成算法接口文件。其次專門建立庫工程（.lib文件），包含上一步生成的工程目錄下的算法接口文件，并分配內(nèi)存表，修改輸入輸出參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)算法處理函數(shù)XX（）。最后釋放內(nèi)存并修改編譯選項(xiàng)，編譯完成后生成符合XDAIS的標(biāo)準(zhǔn)接口算法庫（.lib文件）。

3 RF5框架使用

XDAIS算法封裝成庫之后，就需要考慮如何去調(diào)用它。開辟新的工程，在命令鏈接文件中實(shí)現(xiàn)算法庫的代碼如下：

_JPEGDEC_IJPEGDEC=

_JPEGDEC_TI_IJPEGDEC-l.libjpeg_ti.lib

通過第一句賦值，在新工程中引用_JPEGDEC_IJPEGDEC即可調(diào)用XDAIS實(shí)例算法接口，jpeg_ti.lib是成功封裝的XDAIS標(biāo)準(zhǔn)算法庫，第二句成功將jpeg算法庫鏈接到工程文件中去。

根據(jù)RF5的數(shù)據(jù)元素特性，需要算法、核、通道、線程一步步地按層次封裝。首先第一步需要將XDAIS算法封裝在CELL中，只需要將算法庫的實(shí)例算法接口在應(yīng)用程序所在工程中進(jìn)行調(diào)用即可。在這之前，需要在頭文件中聲明CELL對(duì)象ICELL_Obj和CELL接口ICELL_Fxns等，ICELL_Obj封裝了實(shí)例算法接口、CELL接口ICELL_Fxns和ICC句柄，通過ICELL_Fxns定義的操作函數(shù) cellExcute（）來管理并執(zhí)行 CELL中封裝的算法處理函數(shù)，通過ICC句柄實(shí)現(xiàn)CELL與通道對(duì)象間通信。

以JPEG解碼算法為例，算法處理線程源文件中ICELL_Obj的定義如下：

通過BIOS配置算法處理線程[6]，在算法處理線程中定義 CELL對(duì)象 ICELL_Obj、ICC句柄 ICC_Handle和算法處理參數(shù)，在main函數(shù)里初始化通道模塊，這是因?yàn)楸仨毻ㄟ^通道channel去操作。在線程初始化函數(shù)中進(jìn)行通道內(nèi)cell的注冊(cè)CHAN_regCell（），然后通過CHAN_open（）函數(shù)打開通道，最后在線程處理函數(shù)中調(diào)用 CHAN_execute（）完成 CELL接口調(diào)用，執(zhí)行 CELL接口調(diào)用函數(shù) cellExcute（），最終調(diào)用封裝在 CELL內(nèi)的算法處理函數(shù)XX（）。如圖3所示。

4 封裝實(shí)例

圖3 RF5框架中XDAIS算法調(diào)用流程圖

結(jié)合H.264編碼算法封裝實(shí)例，通過軟件開發(fā)平臺(tái)CCS3.3實(shí)際測(cè)試算法性能。創(chuàng)建了兩個(gè)例程，分別是采用XDAIS標(biāo)準(zhǔn)和RF5封裝的算法程序，和以源文件形式存在未經(jīng)封裝的算法程序。在BIOS靜態(tài)面板中配置內(nèi)存空間并配置輸入輸出線程，輸入線程采集圖像數(shù)據(jù)，而輸出線程在兩個(gè)實(shí)例中則作用不同。

首先，未經(jīng)封裝的編碼算法所涉及的幀間預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、量化等一系列算法子函數(shù)均以源文件存在于工程中并在tskVideoOutput線程中調(diào)用，如圖4所示。

圖4 未經(jīng)封裝的算法實(shí)例

將這些程序文件按照XDAIS算法標(biāo)準(zhǔn)封裝于庫H.264_enclib.lib中，然后按照RF5框架數(shù)據(jù)元素的封裝步驟，在tskProcess線程中調(diào)用此庫和算法處理函數(shù)接口，得到工程如圖5所示。

圖5 RF5框架封裝后算法實(shí)例

其次通過在程序中添加UTL統(tǒng)計(jì)函數(shù)來分別分析和比較采用兩種方法的算法執(zhí)行情況。圖6所示為未封裝情況，在tskOutput線程中設(shè)置STS時(shí)間統(tǒng)計(jì)模塊stsExeTimeEnc得到編碼算法程序執(zhí)行的平均指令周期為11.599 ms。圖7為經(jīng)RF5框架封裝后的算法執(zhí)行情況，在tskVideoProcess線程中設(shè)置STS時(shí)間統(tǒng)計(jì)模塊stsExeTimeh264Enc得到平均指令周期為4.083 ms。

圖6 未封裝情況下編碼算法指令周期

從CPU占用情況來看，未經(jīng)封裝的算法程序CPU占用率較高，平均占有率在50%左右，而經(jīng)過RF5封裝調(diào)用的算法程序?qū)嶋H平均CPU占用率在31%左右，分別如圖8和圖9所示。

圖7 經(jīng)RF5封裝后編碼指令周期

圖8 未經(jīng)封裝的算法程序CPU占用率

圖9 經(jīng)封裝后的算法程序CPU占用率

5 結(jié)束語

以上分析了整個(gè)XDAIS算法封裝和調(diào)用的具體過程。通過eXpressDSP提供的XDAIS算法組件向?qū)蓸?biāo)準(zhǔn)算法框架，然后編寫符合XDAIS標(biāo)準(zhǔn)的具體應(yīng)用算法。通過此框架生成lib庫文件并提供接口給需要調(diào)用它的工程，在調(diào)用工程中通過線程、通道、核對(duì)象等接口一步步地對(duì)該算法予以封裝，最終建立起含有復(fù)雜算法的RF5框架工程?？蚣艿慕⒑退惴ǖ姆庋b過程也證明了RF5強(qiáng)大的擴(kuò)展性和適用性，設(shè)計(jì)人員不用考慮底層就能開發(fā)出多通道復(fù)雜算法的應(yīng)用程序。通過對(duì)算法函數(shù)、核及通道對(duì)象的修改就可輕松移植適合特定工程的算法，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有很大的實(shí)用性。

[1]Texas Instruments Incorporated.Reference frameworks for eXpressDSP software： RF5，an extensive，high-density system[R].Texas Instruments，2003.

[2]DSP/BIOS driver developer′s guide[R].Texas Instruments，2005.

[3]TMS320C6000 CSL API reference guide[R].Texas Instruments，2004.

[4]Texas Instruments Incorporated.TMS320 DSP算法標(biāo)準(zhǔn)[M].徐盛，胡劍凌，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[5]TMS320 DSP algorithm standard API reference[R].Texas Instruments，2005.

[6]DSP/BIOS user′s guide[R].Texas Instruments，2002.