杜小敏, 袁三男, 俞 靜, 吳立新

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090;2.上?？平娮有畔⒓夹g(shù)有限分公司, 上海 200030)

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基于OMAPL138的SCALE通信方式在數(shù)字電視監(jiān)測中的應(yīng)用

杜小敏1, 袁三男1, 俞 靜1, 吳立新2

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090;2.上?？平娮有畔⒓夹g(shù)有限分公司, 上海 200030)

為提高數(shù)字電視監(jiān)測平臺的工作效率,引進(jìn)了雙核處理器OMAPL138的SCALE雙核通信方式,實現(xiàn)了數(shù)字電視信號在ARM和DSP之間的通信.首先,以O(shè)MAPL138為硬件平臺,建立ARM和DSP之間SCALE方式的通信機(jī)制;其次,在ARM端與DSP端之間進(jìn)行數(shù)字電視相關(guān)數(shù)據(jù)的傳遞,及ARM端到DSP端消息的發(fā)送;最后,ARM端將分析結(jié)果傳入網(wǎng)絡(luò)并顯示于PC機(jī)上.實驗結(jié)果表明,OMAPL138雙核之間的SCALE通信方式加快了對節(jié)目信息的提取,保證了數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)的高效性.

OMAPL138雙核處理器; 雙核通信方式; 數(shù)字電視監(jiān)測

與傳統(tǒng)的模擬電視監(jiān)測相比,數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)的不同之處在于處理內(nèi)容為數(shù)字信號,包括對信號的解碼分析及編碼,大量的數(shù)字信號對CPU處理速度的要求較高.目前,可進(jìn)行多個單核處理并進(jìn)行人機(jī)交互,可以滿足基本要求,但開發(fā)成本較高,尤其是硬件開發(fā)比較復(fù)雜.加之單核為滿足效率而提高頻率,造成耗電多,發(fā)熱大,散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速高、噪聲大等問題,無法滿足實時監(jiān)測的要求.美國德州儀器(TI)公司推出的一款高性能、低功耗的浮點定點能力兼?zhèn)涞娜码p核處理器OMAPL138[1],已在高速信號處理系統(tǒng)信號完整性分析中得到了應(yīng)用,可以有效地保證信號的完整性,同時也可以保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2];與FPGA共同完成嵌入式數(shù)控系統(tǒng),可滿足高性能數(shù)控系統(tǒng)的要求,已成功應(yīng)用于皮革裁剪機(jī)上[3].

為提高監(jiān)測效率,數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)充分利用雙核處理器OMAPL138低功耗、高處理能力的優(yōu)勢,并采用CHNL和MSGQ組件的SCALE方式進(jìn)行雙核通信,實現(xiàn)ARM端與DSP端之間的數(shù)據(jù)傳遞及ARM端到DSP端的消息發(fā)送,增大了雙核之間通信的靈活性和可靠性,為確保廣播電視的播出、安全傳輸提供了保障.

1 OMAPL138簡介及數(shù)字電視監(jiān)測概況

OMAP L138是TI公司2009年推出的一款高性能、低功耗的浮點定點能力兼?zhèn)涞娜码p核處理器[1],包括一個ARM9處理器內(nèi)核和一個C6748DSP內(nèi)核,頻率可高達(dá)375/456 MHz.ARM端運行Linux系統(tǒng),主要處理人機(jī)交互、向DSP端發(fā)送數(shù)據(jù)和消息等任務(wù);DSP端是基于DSP/BIOSTM實時操作系統(tǒng)的,主要是循環(huán)接收從ARM端傳來的數(shù)據(jù)或消息,進(jìn)行運算處理.

為實現(xiàn)OMAPL138雙核的緊密連接,TI公司從應(yīng)用層上抽象出物理層中的ARM和DSP交互的特性,建立了一個通用的API,即DSP /BIOSTM Link,簡稱DSPLink,用于完成ARM端的操作系統(tǒng)線程,以及DSP/ BIOSTM之間的控制和通信路徑任務(wù),完成二者之間的軟連接.在DSP端,DSPLink是為了驅(qū)動DSP BIOSTM操作系統(tǒng),可以調(diào)用DSP;在ARM端,DSPLink作為一個Linux的外設(shè)而存在,并提供了很多組件,通過應(yīng)用層的函數(shù)庫訪問這個設(shè)備的形式進(jìn)行操作[4].DSP端和ARM核端通過片內(nèi)共享內(nèi)存區(qū)域,進(jìn)行相互通信,實現(xiàn)兩者通信上的無縫連接.

數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)是指通過獲取廣電節(jié)目在制作、傳輸、播出過程中各階段的傳輸信號,進(jìn)行信號分析、故障報警、多畫面展示、錄像存儲等,為保證國家廣電正常、安全播出而打造的一系列集軟件、硬件為一體的監(jiān)管系統(tǒng)[5].其中,碼流分析是監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它主要分析碼流中的各類參數(shù)及分析監(jiān)測碼流中是否存在錯誤,并且將傳輸碼流按照TR101290測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行三級報警[6].碼流分析的處理速度會大大影響監(jiān)測系統(tǒng)的效率,所以需要高速處理器來完成.

2 SCALE通信

雙核通信的基本模式是一方將所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放到128 KB共享內(nèi)存中,通過中斷的方式告知另一方.作為DSPLink中不同的通信模塊,其不同之處在于對共享內(nèi)存的組織方式的不同[7].雙核之間的通信可有多種方式,TI公司開發(fā)了多種方式的雙核通信,比如LOOP,MESSAGE,SCALE,READWRITE,RING_IO,MP_LIST,MPCSXFER等,數(shù)據(jù)可以通過通道和消息隊列的方式進(jìn)行傳遞.

由于ARM端和DSP端的數(shù)據(jù)傳輸可以使用通道,也可以采用消息隊列的方式進(jìn)行傳送(但消息隊列的容量有限,不能大量傳送數(shù)據(jù),只傳送長度可變的消息).為合理利用資源,選用了CHNL和MSGQ組合的SCALE的傳輸方式,以確保不丟失數(shù)據(jù)、不損壞數(shù)據(jù),實現(xiàn)雙核之間數(shù)據(jù)和消息的交互.

2.1 SCALE 通信流程

ARM具有較強(qiáng)的事務(wù)管理功能,可以用于界面交互以及程序應(yīng)用等,在控制方面具有很大優(yōu)勢[8],所以主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互,并通過網(wǎng)口將分析結(jié)果顯示在PC機(jī)上.在工程應(yīng)用當(dāng)中,ARM一般會被用作主控核,協(xié)調(diào)調(diào)度系統(tǒng)的其他核工作,通過MSGQ組件向DSP發(fā)送命令.

DSP具有端強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運行速度,可以以通道方式接收數(shù)據(jù),以消息隊列方式接收消息,根據(jù)ARM端發(fā)送的消息對數(shù)據(jù)進(jìn)行組合,并通過通道反饋給ARM,ARM對接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)和消息進(jìn)行驗證,以確保傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

SCALE通信流程如圖1所示.

圖1 SCALE 通信流程

2.2 SCALE通信的搭建

SCALE通信主要利用DSPLink的4個關(guān)鍵組件——PROC,CHNL,MSGQ,POOL,以完成雙核之間數(shù)據(jù)流和消息的傳輸.

(1) PROC組件 通信過程中,在ARM端模擬DSP,可使DSP訪問ARM端,并與POOL組件配合使用,完成DSP程序在載入驅(qū)動和內(nèi)存池的分配.

(2) CHNL組件 一個邏輯數(shù)據(jù)傳輸通道,負(fù)責(zé)ARM端和DSP端之間的數(shù)據(jù)傳輸,接收端和發(fā)送端采用issue/reclaim模式傳輸數(shù)據(jù),可實現(xiàn)同步傳輸.與Put/Get模型不同,它不會自動分配內(nèi)置交換緩沖,不管是發(fā)送還是接收,CHNL-issue()向CHNL的另一端傳入指針,與CHNL-reclaim()一起使用,效果與Put/Get相同.

(3) MSGQ組件 主要負(fù)責(zé)ARM端和DSP端可變長度的短消息交互,message使用消息隊列作為信息載體,發(fā)送和接收分別需通過消息隊列的寫入和讀取完成.使用MSGQ_Put()和MSGQ_Get(),對共享內(nèi)存進(jìn)行寫入/讀取.

(4) POOL組件 適用于配置共享內(nèi)存區(qū)域的API模塊,提供了兩核之間緩存數(shù)據(jù)的API接口,可實現(xiàn)不同CPU之間內(nèi)存數(shù)據(jù)的同步化.

SCALE工作模式下,ARM端和DSP端各自的工作流程如圖2所示.

ARM端分別采用了CHNL和MSGQ組件將數(shù)據(jù)、消息傳輸?shù)焦蚕韮?nèi)存中;ARM端負(fù)責(zé)向DSP端發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖和消息隊列,接收DSP端返回的組合緩沖,將發(fā)送的數(shù)據(jù)和消息以DSP處理數(shù)據(jù)緩沖的方式對返回的緩沖進(jìn)行驗證,并輸出驗證結(jié)果.該程序運行過程中只有一個緩沖,無緩沖序列在排隊,可大大提高傳輸效率.每次通過CHNL所傳數(shù)據(jù)最大值是由初始值設(shè)定的.

對于消息,向DSP端發(fā)送數(shù)據(jù)和從DSP端接收數(shù)據(jù)時ARM端的初始化是不同的,向DSP端發(fā)送數(shù)據(jù)需要打開遠(yuǎn)程傳輸msgq_transportopen(),建立執(zhí)行函數(shù)時需要對DSP端消息隊列進(jìn)行定位,而從DSP端接收數(shù)據(jù)初始化需要先打開ARM端的消息隊列msgq_open(),再打開遠(yuǎn)程傳輸msgq_transportopen(),定位DSP的消息隊列.然后,發(fā)送給DSP的緩沖初始化數(shù)據(jù)為XFER_CHAR,其值為0x1,并通過通道將數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP端,發(fā)送完畢后,通道接收由DSP端返回的數(shù)據(jù)緩沖,并以DSP處理數(shù)據(jù)的方式驗證數(shù)據(jù)的正確性,傳送過程在ARM端所連接的虛擬機(jī)上打印輸出.最后,關(guān)閉遠(yuǎn)程傳輸,停止在DSP端的執(zhí)行,釋放分配到的DSP通道,關(guān)閉池,分離處理器,銷毀PROC對象.

圖2 SCALE通信工作流程

DSP端作為數(shù)字信號處理端,使用了SWI(軟件中斷)和TSK(任務(wù)線程)兩種方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)和消息的發(fā)送和接收.由于SWI不可以被堵塞,一旦觸發(fā),必須執(zhí)行完畢.而TSK可以被中途堵塞.DSP 端基于TSK_MODE參數(shù),調(diào)用TSK或SWI組合應(yīng)用程序來完成數(shù)據(jù)和消息的處理任務(wù).SWI_MODE和TSK_MODE是在DSPLink的配置文件dsplinkcfg.pl定義可以用DSPTSKmode=1來選擇哪一種模式,若沒有設(shè)定,默認(rèn)使用SWI;如果定義SWI_MODE,則從SWISCALE_Create()開始執(zhí)行,如果定義了TSK_MODE,則從TSKSCALE_Create()開始執(zhí)行.

以TSK模式為例,TSK使用SIO接口完成對ARM端的組合,從一個輸入通道接收數(shù)據(jù),把同樣的數(shù)據(jù)再發(fā)送回輸出通道,輸入和輸出通道是通過頭文件配置的,它使用一個消息隊列去接受輸出數(shù)據(jù)的組合因子.用SIO_create()和SIO_delete()函數(shù)來打開和關(guān)閉數(shù)據(jù)流.通道采用issue-reclaim模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,DSP端作為消息接收端,不必向ARM端發(fā)送消息,因此需要先打開遠(yuǎn)程傳輸MSGQ_transportOpen (IN ProcessorId procId,IN Pvoid attrs),打開通向DSP端的用于消息傳遞的傳輸通道.MSGQ_open()打開一個消息隊列(有一個系統(tǒng)范圍的名字標(biāo)識),所有發(fā)送給該客戶的消息都將加入該隊列.然后,從端接收數(shù)據(jù)緩沖,檢查是否有組合消息,處理數(shù)據(jù)緩沖,接收的數(shù)據(jù)與組合因子相乘,將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送到通道上,返回ARM端.最后,與ARM端相

同,刪除數(shù)據(jù)、消息中斷,關(guān)閉消息隊列,刪除輸入輸出通道、緩沖及消息結(jié)構(gòu)體.而SWI模式的運行需要先創(chuàng)建TSK任務(wù).

ARM端與PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連,在虛擬機(jī)上打印通信流程,SCALE通信模式的創(chuàng)建、執(zhí)行階段,執(zhí)行過程中每10次改變一次組合因子,從組合因子為2開始打印顯示組合因子的大小,每100次打印輸出會提示雙核之間的通信次數(shù).最后,釋放SCALE通信占用的空間和組件,結(jié)果如圖3所示.

圖3 ARM端和DSP段通信結(jié)果

3 SCALE通信在數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

本數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)由碼流接口板、解碼板、主控板等構(gòu)成,系統(tǒng)框圖如圖4所示.

圖4 數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)工作原理如下:值班人員若要查看某個頻點下的節(jié)目,選定頻點后,系統(tǒng)主控板卡通過網(wǎng)絡(luò)告知碼流信號接口板的主控CPU,即ARM,分析并控制高頻頭解調(diào)相應(yīng)頻點的射頻信號,經(jīng)高頻頭解調(diào)出TS流.該流為加密碼流,一分為二,一路經(jīng)過CAM卡檢測是否已授權(quán)可解,若有,進(jìn)行解密處理并傳出透明的TS流至解碼板,否則,不能解密.解碼板解調(diào)出相應(yīng)的A/V模擬信號,進(jìn)入主控板以低碼率、高壓縮率的H.264標(biāo)準(zhǔn)[9]進(jìn)行編碼壓縮并傳至網(wǎng)絡(luò),提供給PC機(jī)中的播放器或電視屏幕墻播放,供運行維護(hù)人員直觀地判斷,或?qū)⑿畔⒋嫒霐?shù)據(jù)庫中,方便以后隨時調(diào)用,便于更好地維護(hù).另一路經(jīng)過可編程門陣列FPGA校驗并循環(huán)檢測,將TS流轉(zhuǎn)換成DSP可以接收的信號,送給DSP進(jìn)行碼流分析,DSP將分析結(jié)果存放至和ARM的共享內(nèi)存中,供ARM端直接讀取.ARM將DSP碼流分析的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)輸出,由PC機(jī)顯示或保存到磁盤陣列、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中.

為保證SCALE方式的雙核通信在該系統(tǒng)中的正確運行,首次啟動或開機(jī)時需進(jìn)行驗證,之后ARM可隨時向DSP發(fā)送消息命令.由于數(shù)字檢測系統(tǒng)安裝成功后,是24 h不間斷運行,所以僅需安裝調(diào)試或重啟之時,按照SCALE方式的通信,驗證雙核通信的正確性.

高頻頭接收到ARM指令后,開始接收RF信號并解調(diào)為TS流,將信息反饋給ARM,ARM收到信息后調(diào)用FPGA,解調(diào)后的TS流經(jīng)過I2C總線傳送到FPGA,校驗并循環(huán)檢測是否有TS流的輸入,并將轉(zhuǎn)換后的TS流傳給DSP處理.該過程中,ARM很少使用通道向DSP發(fā)送大批量數(shù)據(jù),經(jīng)常使用消息隊列向DSP發(fā)送指令和從通道上接收來自DSP的批量數(shù)據(jù).ARM直接采用issue-reclaim模式的通道從共享buffer中把相連接的DSP指定發(fā)送的數(shù)據(jù)讀取出來,ARM負(fù)責(zé)將所監(jiān)測到的故障信息通過網(wǎng)絡(luò)傳入磁盤中進(jìn)行存儲,并將透明的TS流通過CPCI接口送給解碼板進(jìn)行解碼,或者上傳至網(wǎng)絡(luò),通過前端屏幕或PC進(jìn)行顯示報警.ARM向DSP發(fā)送命令,需將命令載入消息隊列中,使用MSGQ_put()函數(shù)傳入共享內(nèi)存中.消息隊列的結(jié)構(gòu)如下:

typedef struct

{ UInt32 queue[QUEUESIZE];

UInt head;

UInt tail;

UInt32 error;

Semaphore_Struct semObj;

Semaphore_Handle semH;

} Event_Queue.

DSP利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度等優(yōu)勢,負(fù)責(zé)將來自FPGA的加密TS流進(jìn)行碼流分析,分析監(jiān)測碼流中是否存在傳輸流同步丟失、節(jié)目映射表、循環(huán)冗余校驗、條件接收表出錯、網(wǎng)絡(luò)信息表出錯、數(shù)據(jù)源錯誤、傳輸引起的錯誤等,并將碼流分析的結(jié)果放入共享內(nèi)存中.此外,DSP接收并執(zhí)行從ARM來的命令,比如提取PMT表、返回PAT表、3級報警結(jié)果表等.DSP端為各種檢測項目各定義了一個結(jié)構(gòu)體,根據(jù)不同情況將分析結(jié)果分別填充到各自相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體對應(yīng)元素中,通過通道發(fā)送到共享內(nèi)存當(dāng)中.比如PMT表填充的結(jié)構(gòu)體,定義如下:

typedef struct _CHECK_PMT

{ CHECK_PARASms_Check_Paras;// 公共參數(shù)檢測

PMT current_pmt;

PMT_LIST pmt_es[MAX_ES];

unsigned int i_repetition_period;// 包連續(xù)時間計數(shù)

unsigned int i_repetition_period_default; // 默認(rèn)包連續(xù)時間計數(shù)

unsigned int i_over_time_err; // 超時錯誤計數(shù)

long pcr_del;// TS流的時間

unsigned char transport_scrambling_control;//節(jié)目是否加密

}CHECK_PMT.

最后,使用CHNL-issue()將該結(jié)構(gòu)體上傳至通道上,完畢后采用CHNL-reclaim()回收通道.

與LOOP通信方式相比,SCALE通信方式的雙核通信可以實現(xiàn)ARM端向DSP端命令的發(fā)送.CHNL 需要建立兩條通道,并且每次傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量是固定的,需要占據(jù)的共享內(nèi)存也是不變的,一般CHNL所傳數(shù)據(jù)量較大,當(dāng)共享內(nèi)存不足時,無法進(jìn)行正常傳輸.而消息傳送只是從ARM端到DSP端,只需建立一個消息隊列即可,而且消息隊列傳輸?shù)南⑹强勺冮L的,存儲和傳輸占用內(nèi)存較小,使用比較靈活方便,可合理分配共享內(nèi)存,節(jié)省CPU的運行時間.

4 實驗結(jié)果

數(shù)字電視檢測過程分為輪詢監(jiān)測和手動監(jiān)測兩種.值班人員若要查詢某個頻點下的節(jié)目狀況,可在手動查詢下對TS流進(jìn)行碼流分析,將頻點下的各種信息表提取出來,進(jìn)行直觀地分析.比如,查看頻點211.00的節(jié)目信息,首先在用戶界面輸入頻點數(shù)211.00,主控板接收到界面發(fā)來的請求,進(jìn)行讀取并傳于網(wǎng)絡(luò)告知ARM,ARM接收到消息后,通知高頻頭解調(diào)相應(yīng)頻點的射頻信號,輸出解調(diào)結(jié)果——TS流,經(jīng)過可編程門陣列FPGA進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,送給DSP進(jìn)行碼流分析,ARM與DSP之間采用SCALE方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和命令的傳遞,即ARM端通過MSGQ組件向DSP發(fā)送命令消息,DSP端通過CHNL組件將碼流分析的大數(shù)據(jù)結(jié)果傳送給ARM.ARM端將DSP分析出的各種信息表通過網(wǎng)絡(luò)輸出,將提取出的PMT表、PAT表、CAT表及3級報警信息等顯示在PC機(jī)屏幕上.

5 結(jié) 語

本文介紹了一種基于雙核系統(tǒng)OMAPL138的SCALE通信方式的數(shù)字電視監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)有效地解決了多個單核協(xié)同處理的開發(fā)問題,降低了難度;充分利用ARM與DSP各自優(yōu)勢進(jìn)行了明確分工,采用了CHNL和MSGQ組件SCALE的雙核通信方式,實現(xiàn)了ARM端與DSP端之間的數(shù)據(jù)傳輸和消息定向傳遞;合理地利用共享內(nèi)存,減少了CPU的空間占用,提高了傳輸效率.試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠使得值班人員快速定位故障點,及時作出故障處理,保證了數(shù)字電視應(yīng)用系統(tǒng)的平穩(wěn)運行.

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(編輯 胡小萍)

The Application of SCALE Communication Based onOMAPL138 in Digital Television Monitoring

DU Xiaomin1, YUAN Sannan1, YU Jing1, WU Lixin2

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.ShanghaiKejiangElectronicInformationTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai200030,China)

In order to improve the working efficiency of digital TV monitoring platform,the SCALE communication of dual-core processors OMAPL138 is introduced to achieve the communication of digital TV signal between ARM and DSP.Firstly,the communication mechanism of SCALE mode between DSP and ARM is established based on hardware platform of OMAPL138.Secondly,the transmission of the data related to digital TV is conducted between ARM and DSP,and the message is sent from ARM to DSP.Finally,the analysis results are uploaded to the network by ARM and displayed on PC.The experimental results show that the use of SCALE communication mode between dual core OMAPL138 accelerates to extract the program information and improves the efficiency of digital TV monitoring platform considerably.

OMAPL138 dual-core processor; dual-core communication mode; digital TV monitoring

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.012

2015-12-15

簡介：袁三男(1967-),男,博士,副教授,江蘇蘇州人.主要研究方向為通信與信息系統(tǒng),流媒體網(wǎng)絡(luò),數(shù)字電視,嵌入式系統(tǒng)等.E-mail:samuel yuan@shiep163.com.

TN948.7

A

1006-4729(2016)05-0467-06