HPI接口的视频数据传输系统设计

2．1 驱动结构

在Linux中，设备也是作为文件来访问的。VFS(虚拟文件系统)为各种不同的文件系统提供了统一的访问接口，通过这些接口，应用程序可以直接使用open、read和IOctl等系统调用对设备进行访问和控制。

本例中，把HPI作为一个外围设备，其驱动主要实现对设备的打开、关闭、内存映射、视频数据缓冲区管理和物理内存切换等功能。根据原理图，可以确定HPI 四个寄存器对应的物理地址，在驱动初始化过程中，调用ioremap_uncache函数把物理地址映射为内核虚拟地址，在驱动层通过内核虚拟地址访问 HPI的4个寄存器。

存储器映射I／O把HPI驱动分配的数据空间直接映射到应用程序的虚拟地址空间，应用程序直接访问该空间，避免了用read／write系统调用导致的视频数据二次拷贝。在内核里，由驱动分配一定的缓存，当应用程序不能及时处理DSP发送过来的视频数据，可以缓存这些数据；当应用程序处理完一帧图像时，采用Linux的物理内存切换技术，把下一帧数据所在的物理地址重映射到应用程序的同一虚拟地址，这样，应用程序不用频繁调用mmap函数映射内存。

2．2 存储器映射I／O

一般情况下，当应用程序用read／write读写设备数据时，该设备的驱动先将设备数据从设备上采样到内核缓冲区，再从内核缓冲区拷贝到应用程序缓冲区，数据经过了两次拷贝。当数据量比较小时，如一些控制命令或状态信息，对系统性能几乎没有影响。但是，如果一次传输的数据量比较大，比如视频显卡上的实时视频图像，两次拷贝将大大影响系统的数据处理效率。这时，可采用存储器映射I／O技术，在内核层存储器映射I／O由函数 remap_page_range完成。

由remap_page_range函数的原型可以知道，该函数的意义在于通过将特定物理地址映射到进程虚拟地址，进程可以访问特定的物理地址，而这在普通情况下是不可能的。在本例中，当进程调用mmap函数进行存储映射时，内核会调用驱动注册的hpi_mmap函数，传入的参数之一包括进程虚拟地址。在 hpi_mmap函数里，调用remap_page_range完成从缓冲区物理地址到进程虚拟地址的映射。hpi_mmap函数实现如下：

其中vm_flags字段设置了VM_RESERVED，表示该数据缓冲区一直常驻内存，在内存不足时，不会被交换出去。内核和进程同时对数据缓冲区读写，为了保证数据的一致性，对该区域的访问不应该经过CPU内部的缓冲区，所以用pgprot_noncached设置非缓冲标志。

mmap系统调用返回一个进程虚拟地址，该地址就是vma->vm_start字段，进程对该虚拟地址的访问，最终变为对物理地址CACHE_PHY的访问。

2．3 数据缓冲管理

缓冲管理的主要任务是，当ARM接收到新的一帧时，为其分配相应的缓存，并将在物理地址重映射到进程虚拟地址。当应用程序处理该帧时，缓冲管理负责内存区域的回收。

当Linux内核启动时，可以传人参数mem=PHY_LEN，指定存储空间的大小。在本例中，内核启动时为HPI驱动预留8 MB的高端物理内存。在本例中，借助Linux中对普通外设I／O内存(PCI卡内存等)管理的思想，用高度为2的树表示一块连续的区域。该数据结构的优点在于，资源分配简单，把离散的小内存合并为一块连续的大缓冲区的算法复杂度为O(1)。具体实现请参阅内核源码中resource结构相关部分。

重映射新一帧视频数据到进程虚拟地址是缓冲管理的另一任务。因为前一帧数据物理地址已经映射到进程虚拟地址，需要先将前帧物理地址与进程虚拟地址的映射关系去掉，然后重映射当前帧数据到进程虚拟地址。去掉物理地址与进程虚拟地址的映射关系由内核函数zap_page_range完成，调用该函数后，如果进程再访问该虚拟地址，内核会产生缺页中断。这时再用remap_page_range建立当前帧数据物理地址与进程虚拟地址间的映射关系，进程就可以通过同一虚拟地址访问当前帧的数据了。该方法的意义在于，进程不用频繁调用mmap建立物理地址与虚拟地址的映射，只用调用一次，当有新数据到达时，驱动自动将新帧数据映射到先前的进程虚拟地址，提高了进程处理视频数据的效率。实现代码如下：

结 语

在当前视频处理平台上，视频处理、视频传输、复杂任务管理等工作一般都是由一块DSP处理器单独完成，结合其他嵌入式微处理器协同工作的技术方案刚刚起步。经测试，在基于本文提出的高速通信方法设计的视频处理平台上，TMS320DM642与AT9lRM9200间的通信速率可以达到50 Mbps，带宽足够用来传输MPEG等压缩视频数据。如果用HPl32模式，速度还会大幅度提高。同时，因为Linux系统的实时性不是很强，如果采用其他实时性强的操作系统，如Vxworks等，系统性能还会有大的提高。
（编辑：吕勇）