Blonstein S., Katorgi M. EXpressDSP для чайников

Подождите немного. Документ загружается.

времени, и которые очень сложно отследить. Для решения этой проблемы надо

составить список регистров (или битов регистров), которые алгоритм не должен

использовать, и добиться, чтобы все придерживались этого списка. В этом заклю-

чается еще одна функция XDAIS. Каждое семейство DSP TMS320 имеет четкий

список, где указано, какие регистры могут быть использованы, а какие нет

Соглашение об именах

В общем применении н несколько плохих) со-

глаше

во всех

систем

Окончания

Как мы упоминали ранее, в ой» стороны дороги для движе-

ния ав

приме

ас думаете, какая же Вам может быть реальная

аходится много хороших (и

ний по именам. Все полезные соглашения обладают своими достоинствами

(что и делает их полезными), но все равно они отличаются друг от друга.

По причине того, что ядро DSP/BIOS используется практически

ах на TMS320, XDAIS требует следовать соглашениям для DSP/BIOS. Дес-

потично? Возможно.

Но, так же как и вождение по одной стороне дороги, лучше

следовать условиям во имя стандартизации, чем иметь беспорядок.

ыбор «корректн

томобилей (мы не говорим «правой» стороны) является произвольным. Тем

не менее, такое решение необходимо. Когда речь заходит о 32-разрядных микро-

процессорах, это выбор того, как располагать байты в 32-разрядных переменных.

В 32-разрядных микропроцессорах изначально присутствует возможность

нения одного из двух

способов расположения данных в 32-разрядном слове

(прим. переводчика: способ расположения данных в 32-разрядном слове – en-

dianess). Как Вы предпочитаете располагать старший байт – по наименьшему (lit-

tle-endian, Motorola-формат) или наибольшему (big-endian, Intel-формат) адресу?

А есть ли для кого-то разница? Это решение произвольно до тех пор, пока Вы не

начинаете применять одновременно разные программы,

которые были написаны с

различным расположением байт в слове. Так, семейство DSP TMS320C6000 под-

держивает оба формата. Но XDAIS накладывает ограничение, что все алгоритмы

как минимум должны поддерживать формат расположения младших байт по

старшим адресам. Обеспечение работы с форматом расположения старших байт

по старшим адресам желательно, но не обязательно. Но что действительно не сто

ит делать, так это применять только формат переменных с расположением стар-

ших байт по старшим адресам.

Возможно, Вы сейч

польза от всех этих «правил». Действительно, если Вы собираетесь

просто использовать готовые алгоритмы, то, вероятно, пользы от этих

правил вам почти никакой не будет.

Хорошей аналогией являются

электротехнические правила и нормы. Когда Вы покупаете бытовую

технику, например, тостер, то Вы просто включаете его в розетку, и он

работает. Вам не нужно изучать (или Вы просто не хотите читать)

электротехнические правила для приготовления вкусных тостов. Но

если же Вы являетесь производителем тостеров, то, скорее всего, Вы

должны быть достаточно хорошо знакомы с электротехническими

правилами, чтобы производить безопасные и надежные изделия. То

же самое относится и к XDAIS. Если вам действительно нужно знать

самые мельчайшие подробности, обратитесь к технической докумен-

тации Texas Instruments SPRU352 – “TMS320 DSP – Algorithm Stan-

dard Rules and Guidelines” (“TMS320 DSP – Правила и указания для

алгоритмов”).

Совместное использование ценных ресурсов

В х ре-

сурсо

Интерфейс IALG

Интерфейс IALG касается ределения памяти для ал-

горит

работает вместе с другими

алгор

риложений опрашивал все алгоритмы

в сист

тификацией отпечатка пальца,

для ог

главе 1 мы потратили лишь немного времени на обсуждение ценны

в, которые есть в DSP, и на то, насколько аккуратно программистам следует

ими управлять для получения наилучших результатов. XDAIS позволяет сделать

это управление более простым. Для этого были разработаны специальные интер-

фейсы. Один обязательный интерфейс для всех алгоритмов известен как IALG

интерфейс (сокращение

от Instance Algorithm Interface – интерфейс экземпляров

алгоритмов).

непосредственно расп

мов в системе. Одно из действий, которое запрещает XDAIS, это самостоя-

тельное распределение алгоритмом памяти. Почему это недопустимо? Ну, если

позволить алгоритмам самим руководить своими действиями, то многие алгорит-

мы эгоистично заберут столько ценной внутренней памяти, сколько смогут, чтобы

достичь максимальной производительности.

Проблема же возникает

тогда, когда алгоритм

итмами, и приходится делить «дорогу» с этими алгоритмами. Решение дан-

ной проблемы в том, чтобы вообще запретить алгоритмам распределять память.

Взамен XDAIS требует, чтобы управляющий шаблон приложений или приложе-

ние распределяли память по требованию алгоритмов. Это реализуется через меха-

низм запросов и ответов интерфейса IALG.

Важно, чтобы управляющий шаблон п

еме на предмет того, сколько памяти им требуется. В результате этого опро-

са шаблон приложений получает информацию о числе и размерах буферов, типе

памяти и виде выравнивания памяти. Как только шаблон приложений опросил все

алгоритмы, он может принять справедливое решение о том

, кто сколько получит

памяти. Если даже алгоритм А и требует всю внутреннюю память, системный ин-

тегратор может решить, что лучше будет отдать эту память алгоритму В, а алго-

ритму А предоставить более медленную память. Это решение системного инте-

гратора может обеспечить большую производительность всей системы, так как

системный интегратор – единственный

человек, который действительно может

определить оптимальную конфигурацию системы.

Возьмем реальный пример MP3 плеера с иден

раничения доступа к управлению плеером. Для алгоритма распознания от-

печатка пальца (алгоритм А) небольшое увеличение времени выполнение (ска-

жем, 1,5 секунды вместо 1 секунды) не является проблемой, и это позволяет MP3

декодеру (алгоритм B) выполнять работу действительно в реальном времени даже

в случае самого худшего развития событий.

На рисунке 3-2 показан порядок опроса алгоритмов о требуемых им буфе-

рах п

исунок 3-2. Диаграмма работы интерфейса памяти IALG

амяти с последующим распределением надлежащих буферов памяти. Ин-

терфейс IALG является основой этого процесса.

Шаг 1: Сколько блоков памя-

Шаг 3: Для каж-

1DMA2

Для алгоритмов, использующи ные контроллеры прямого доступа

к пам

Измеримость

В результате, XDAIS тре тобы они сообщали в опреде-

ленно

ных – Прим. ред.).

Шаг 2 рас-

Шаг 4a: И зировать Шаг 4b: Инициализировать

Шаг 5a: Эй, приготовься!

Шаг 5b:

Ш я

е-

дого

блока выдели

необходимую

память

ти тебе нужно?

: Хорошо, теперь

кажи подробнее по каждому

блоку

нициали

алгоритм алгоритм

Инициализировать

временную рабочую память

Шаг 6b: Обработать данные, аг 6a: Вот сами данные дл

обработки вернуть результат

аг 8a: Давай

освободим н

много памяти. Скажи, какие

уф

ы сейчас использ

ешь?

Шаг 8b: Вернуть буферы и их

Шаг 7a: Хорошо, с тобой пока

Шаг 7 яние

Шаг 9: Освобо-

размеры

все, можешь отдохнуть

b: Сохранить состо

алгоритма в постоянную па-

мять

дить соответст-

вующие блоки

памяти

Клиент

одул

ал

ор

итм

зе

мп

ал

ор

итм

х встроен

яти, есть свой интерфейс, обязательный для выполнения, который называет-

ся 1DMA2. Этот интерфейс работает аналогично тому, как интерфейс IALG

управляет памятью, но предназначен для однозначного использования контролле-

ров ПДП..

бует от алгоритмов, ч

м формате критические данные о своей производительности. Это требова-

ние позволяет проводить более правильные сравнения. Примеры таких измерений

включают определение времени выполнения для наихудшей ситуации, наихудшее

возможное время реакции на прерывание и наихудшее использование «кучи»

(«heap» – «куча», области памяти, для динамического

размещения структур дан-

Подводя итог: соответствие алгоритмов правилам XDAIS и eXpress DSP –

это первичные упр

авляющие силы стандартизации внутренних и внешних эле-

менто

в алгоритмов, разработанных для платформы TMS320. Если Вы собираетесь

написать какое-либо приложение для платформы TMS320, то вам следует серьез-

но обдумать вопрос обеспечения совместимости с eXpress DSP. Вы скажете себе

спасибо, когда дойдете до этапа сборки системы или создания

новой версии про-

дукта. Более чем 100 производителей предоставляют буквально сотни различных

алгоритмов, совместимых с этим стандартом. Области применения, для которых

написаны эти алгоритмы, включают аудио, видео, телефонию, обработку голоса,

биометрические измерения, коммуникации, шифрование и многие другие. Вы

можете найти самый свежий список алгоритмов по адресу

www.dspvillage.com, в

разделе «Сторонние производители» (3

Party Network).

Глава 4

Проживание в полузаказном доме –

шаблоны приложений для DSP

TMS320

В этой главе

• Понимание пользы от стандартизированных шаблонов приложений

• Компактность вместе с производительностью и гибкостью

• Знакомство с шаблонами приложений трех уровней

Мы достаточно много использовали автомобильные аналогии в предыду-

щей главе, и теперь лучше подумать о чем-нибудь другом, с чем Вы также стал-

киваетесь каждый день: ваш дом или квартира и мы обещаем, что не будем упо-

минать ванную комнату и туалет.

Вспомните, как строят современные дома. В зависимости от

типа дома или

квартиры, в которой Вы живете, определенная часть конструкций сделана под за-

каз, и за это Вы платите умеренную сумму. Чем больше Вы хотите заказной рабо-

ты, тем больше Вам придется заплатить для получения конечного результата.

Выбор архитектуры

Конструкции домов бывают трех типов: полностью под заказ, типовая, и

среднее между этими двумя – полузаказная. Определяющим фактором при выбо-

ре между этими тремя типами является цена, и, конечно, то, как скоро Вы захоти-

те въехать в свой дом.

Выбор между предоставленными вам программными настройками DSP

представляет собой во многом такой же путь

, что и разъясняется в последующих

параграфах.

Выбор конструкции полностью под заказ

Самые дорогие и уникальные дома – это те, которые построены полностью

под заказ. В этом случае Вы нанимаете архитектора, чтобы он спроектировал дом

вашей мечты. Вы тратите огромное время на продумывание деталей, чтобы полу-

чить именно то, что Вы хотите. Часто конечным результатом является красивый

дом. Но зачастую есть и некоторые серьезные недостатками. Прежде всего –

большое количество времени, затраченное на путь от формирования концепции

до завершения строительства.

Относительно программирования DSP, этот подход означает создание пол

ностью своего приложения для DSP. Вы, программист, решаете написать про-

грамму с чистого листа. Вы решаете не использовать для программы ничего гото-

вого, лишь только один свой код. У Вас полный контроль над всем, исходный код

полностью написан Вами, и Вы точно знаете, как его отладить. Но у этого подхо-

да

есть и серьезные недостатки. Завершение такого проекта займет очень большое

время, и, следовательно, этот проект окажется дорогостоящим. При этом Вы, воз-

можно, упустите удачную ситуацию на рынке из-за длительности реализации

проекта. Вы уверены, что действительно добавляете ценности этой программе?

Дает ли этот подход действительно такую выгоду, которая окупит все усилия

«Просто добавь воды» - применение готовых продуктов

Давайте рассмотрим другую крайность. Касательно строительства домов,

эта крайность классифицируется как квартирный, или типовой подход к конст-

руированию. Все дома в основном схожи, за исключением, может быть, внешней

покраски и территории вокруг дома. Преимущество данного подхода в скорости

выполнения. Эти дома строят очень быстро, так как они очень похожи. Строите-

лям

необходимо просто один раз ознакомиться с чертежами, а затем штамповать

такие дома один за другим. Такой подход позволяет сохранить затраты строите-

лей, а соответственно, и ваши тоже, на низком уровне. Однако у этого подхода

также есть и очевидные недостатки. Главным из них является отсутствие особен-

ностей, то есть ваш дом

выглядит так же, как дом ваших соседей и соседей ваших

соседей.

Версия программирования DSP по данному сценарию – это покупка готово-

го программного пакета для запуска на DSP. Готовое решение обеспечит чрезвы-

чайно малое время выпуска продукции на рынок, но явно ограничит возможность

конкуренции за счет отличий от другой продукции. Фактически, ваш ближайший

конкурент

через дорогу может купить такое же программное решение и выпус-

тить на рынок почти такую же продукцию. Выбор между вашей продукцией будет

проходить простым сравнением цен, и Вам, вероятно, этого не захочется.

Полузаказная конструкция – наилучший из всех миров

Разве бы не было замечательно, если бы существовало некое промежуточ-

ное решение? Так вот, в строительном бизнесе это полузаказной дом. Вместо того

чтобы нанимать дорогостоящего архитектора, за умеренную цену Вы можете при-

обрести комплект копий чертежей различных видов домов (часто называемых

синьками - blueprints), которые проверены предыдущими строителями и покупа-

телями. (Поскольку далее

термин «синька» будет использоваться довольно часто,

имеет смысл остановиться на этом подробнее, тем более что в XXI веке осталось

не так уж много людей, которые знают, что это такое. По крайней мере, с 60-х го-

дов XX века в СССР (но, судя по оригиналу этой книги, во всем мире) существо-

вала следующая система технического документооборота. Оригиналы изготавли-

вались либо на миллиметровке (если сильно торопились), либо на ватмане (если

нужно было сделать

хорошо). Чертежи на ватмане еще назывались белками. Для

возможности дальнейшего копирования первичные документы переносились на

кальку, и это называлось просто «калька». Собственно копирование с калек про-

изводилось на светокопировальных машинах (имевшихся, кстати, только в орга-

низациях), для которых использовалась специальная светочувствительная бумага,

имевшая как раз синеватый цвет. Поэтому светокопии оригинальных

чертежей и

назвались синьками. Отметим, что было достаточно копировальных машин, назы-

вающихся «ЭРА». Поэтому в те времена люди говорили «отэрить», также как

сейчас говорят «отксерить».– Прим. ред.). Преимуществом является то, что под-

строить дом под свои желания очень легко. Вы можете выбрать форму кухни,

систему водопровода и освещения, стиль дверей,

материал пола и так далее. Вы

даже можете изменить конфигурацию некоторых комнат, возможно, убрать стену

между кухней и жилым пространством, или даже поменять местами пару комнат.

Вы могли бы изменить контур свода крыши, материал кровли, водостоки и даже

добавить или убрать застекленную крышу. В общем, Вы поняли идею. Еще более

привлекательно

то, что Вы можете найти строителя, который уже строил дом по

одному из этих чертежей и знает все углы и закоулки этого типа дома. Это позво-

лит еще и сократить время строительства и обеспечит более низкую стоимость.

В мире DSP TMS320, полузаказная разработка – это использование шабло-

нов приложений eXpress DSP (Reference Frameworks eXpressDSP, RF). Считайте

это синьками, предназначенным

для вашего программного обеспечения. У вас

есть достаточно возможностей для внесения изменения, но огромная часть черно-

вой работы уже была выполнена и протестирована. Этот подход полузаказной

разработки обладает преимуществами двух других: Вы можете подстраивать про-

грамму под свои нужды, но при этом снижать расходы и длительность разработ-

ки.

Усиление с существующей инфраструктурой

В строительном деле полузаказной дом не только является предварительно

спроектированным, но также в большой степени для достижения конечной цели

использует существующую инфраструктуру и стандарты. Для фундамента обычно

предполагается применять кирпичи или бетон. Когда последний раз Вы видели

дом, который строят на песке? Нет никакого смысла пытаться изобрести колесо –

просто закажите бетономешалку

То же относится и к сетевому напряжению, которое обычно составляет 120

или 220/240 В для всего дома. Это решение замечательно тем, что все те электро-

приборы, которые Вы собрались купить, надо будет просто воткнуть в розетку, и

они начнут работать. Множество других стандартов и положений можно привести

и для других элементов дома, и они действительно облегчают процесс проектиро-

вания.

Шаблоны приложений eXpressDSP работают по тому же принципу. Они

полностью держатся на принципах DSP/BIOS (вспомните кирпичи и бетон в фун-

даменте), а также XDAIS (сравните с электротехническими правилами и стандар-

тами водопроводной системы). Использование этой информации позволяет значи-

тельно упростить разработку различных

приложений, не затрачивая времени на

обдумывание правил и стандартов, применяемых для этих приложений. «Какой

дом Вы хотите получить?» Коттедж, двухэтажный домик, дом с пятью спальными

комнатами, или особняк?

Различные уровни шаблонов приложений

Рассмотрим концепцию строительства полузаказного дома. Основными во-

просами, которые Вы должны задать себе перед тем, как остановиться на каком-

то конкретном варианте дома, являются следующие: какой дом Вы хотите – одно-

или двухэтажный? Сколько спальных комнат Вам надо? Сколько ванных комнат?

(Все-таки мы снова упомянули ванные комнаты!). Вы хотите отдельную

столовую

комнату? Как насчет винного погреба?! Как Вы видите, основные вопросы такого

сорта приводят к резкому уменьшению числа вариантов чертежей домов. Но даже

в рамках этого выбора будут возникать некоторые общие вопросы техники конст-

руирования.

Точно такая же философия применима и для шаблонов приложений eX-

pressDSP. Многие приложения могут быть сгруппированы в

ограниченное число

категорий. TI рассматривает эти категории как шаблоны приложений различных

уровней.

Эти шаблоны приложений позволяют точно ответить на вопрос, как нужно

поступить с разработкой вашего конкретного приложения. Они позволяют избе-

жать той неприятной начальной стадии, когда Вы сидите, уставившись в чистый

лист бумаги, и пытаетесь что-то придумать. Они помогают как

в начале разработ-

ки нового проекта, так и в процессе работы над проектом вплоть до его заверше-

ния. Эти шаблоны приложений доступны в виде исходных текстов на языке Си,

поэтому Вы можете полностью брать в свои руки руководство кодом для даль-

нейшей модификации и долгосрочной поддержки.

На данный момент доступны

три шаблона приложений: RF1, RF3 и RF5,.

Считайте RF1 коттеджем с одной спальной и одной ванной комнатой. RF5 – это

дворец с многочисленными спальными и ванными комнатами. RF3 является хо-

рошим компромиссом между RF1 и RF5. В таблице 4-1 показана матрица выбора

шаблона приложений, в которой отмечены основные различия между тремя уров-

нями.

Таблица 4-1. Матрица выбора шаблона приложений eXpressDSP

Параметр разработки

Компактный

– RF1

Гибкий

– RF3

Расширенный

– RF5

Минимальный размер в памяти Да Нет Нет

Статическая конфигурация Да Да Да

Статическое управление памятью Да Да Да

Выполнение команд на основной скорости Да Да Да

Число каналов 1 - 3 1 – 10+ 1 – 100+

Число алгоритмов eXpressDSP 1 - 3 1 – 10+ 1 – 100+

Динамическое распределение памяти Нет Да Да

Ускоренное выполнение команд Нет Да Да

Включает функции управления Нет Да Да

Приоритетное прерывание обслужива-

ния потоков

Нет Да Да

Блокирование Нет Нет Да

Полный объем занимаемой памяти 3.5 кило-

слов

11 кило-

слов

28 килослов

Номер элемента RF1 RF3 RF5

Посмотрите на параметры, которые определяют выбор подходящего шаб-

лона приложений, под углом зрения DSP приложений. Грубо говоря, чем проще

приложение, тем более вероятным является применение RF1 или RF3 для начала

разработки. Для более сложных программ выбор RF3 или RF5 является более

подходящим.

Компактный шаблон – RF1

Вернемся снова к коттеджу с одной ванной комнатой и одной спальной.

Ключевыми особенностями такого дома являются малый размер, простые мате-

риалы, малая или вообще отсутствующая гибкость и низкая стоимость. Компакт-

ный шаблон (RF1) удовлетворяет этим целям при малых и ограниченных в ресур-

сах приложениях. Примерами таких приложений могут быть устройство громко-

говорящая

громкоговорящей связи, игрушка или цифровые наушники. Эти систе-

мы требуют от шаблона приложений, чтобы размер занимаемой им памяти был

минимальным и оставалось много места для специальных алгоритмов приложе-

ния. Готовое приложение должно обычно умещаться в 8 или 16 килослов внут-

ренней памяти. Применение внешней памяти для таких приложений часто убий-

ственно из-

за увеличения стоимости, энергопотребления или физических разме-

ров.

Модель RF1 устанавливает определенные требования, таким образом, по-

зволяя создавать модульный, структурированный каркас приложения. Главным

требованием является, чтобы система состояла из малого количества каналов и

алгоритмов, которые будут выполняться. Фактически, диапазон от 1 до 3 подхо-

дит для обоих этих параметров. Системные объекты должны быть сконфигуриро

ваны статически, что означает, что создание объектов во время выполнения не

поддерживается (пошлите прощальный поцелуй тем дорогостоящим функциям!).

Использование этого шаблона приложений также подразумевает, что память рас-

пределяется статически, избегая тем самым управления памятью во время выпол-

нения программы. Этот тип конфигурации обычно вполне подходит для простых

приложений, где функции фиксированы и не меняются на протяжении длительно-

го времени.

RF1 также предполагает, что все алгоритмы системы выполняются на оди-

наковой скорости, и данные синхронно передаются от одного алгоритма к сле-

дующему. Это предположение обеспечивает дополнительное упрощение шаблона

приложений, что

еще больше уменьшает суммарный размер программы.

Более того, хотя RF1 и поддерживает алгоритмы XDAIS, применяется еще

один трюк для дальнейшего уменьшения непроизводительных издержек. Алго-

ритмы на стадии компиляции опрашиваются на предмет того, какие у них требо-

вания по выполнению. Это позволяет исключить непроизводительные издержки

работы буферного менеджера в режиме выполнения программы.

Наконец

, RF1 подразумевает, что в системе только один процессор. Это

требование позволяет исключить обслуживание потока связи между DSP и каким-

либо другим процессором. Конечным результатом всех этих налагаемых требова-

ний является законченный шаблон приложений eXpressDSP размером менее 4 ки-

лослов. RF1

Экстенсивный шаблон приложений – RF5

Теперь, когда Вы представляете, что такое коттедж с одной ванной и спаль-

ной комнатой, рассмотрим другую крайность – особняк-дворец с многочислен-

ными спальными и ванными комнатами. Любой, кто строит дворец, скорее всего

не сильно задумывается об ограничениях по размерам, и еще меньше думает о

стоимости. Крайне вероятно, что главными критериями будут

количество комнат,

типы комнат, гибкость, расположение и модульность.

То же относится и к размеру приложения для DSP. RF5 разработан для сис-

тем, в которых число каналов и алгоритмов может изменяться от нескольких штук

до буквально сотен. Для истинной гибкости, в шаблоне приложений этого уровня

поддерживается использование DSP/BIOS TSK’ов (TSK – task, задача) для управ-

ления потоками.

Этот способ управления потоками позволяет полностью блоки-

ровать один канал/алгоритм и/или замещать его другим TSK с более высоким

приоритетом в системе. Такое распределение очень эффективно для сложных сис-

тем, где разработчик системы делает все возможное для обеспечения выполнения

операций реального времени.

Шаблон приложений этого уровня также разрешает ускоренное выполнение

операций

, то есть различные каналы/алгоритмы могут выполняться с различными

скоростями обработки данных и фреймов, причем управление работой осуществ-

ляет шаблон приложений. Вы также можете выбирать, использовать ли статиче-

ское или динамическое управление памятью. Выбор статического управления

уменьшает общий размер шаблона приложений, но динамическое распределение

памяти позволяет добиться наибольшей гибкости при

выполнении.

Наконец, становится доступным отдельный поток для связи с другим про-

цессором системы, например, с процессором общего назначения. Этот другой

процессор может устанавливать схему сообщений с DSP, обслуживая этот спе-

циализированный поток.