用于多核DSP开发的核间通信

news2024/12/26 10:56:12

  TI的多核DSP以TMS320C6678为例，它是多核同构的处理器，内部是8个相同的C66x CorePac。对其中任意一个核的开发就和单核DSP开发的流程是类似的。
  但是如果仅仅只是每个核独立开发，那么很难体现出多核的优势。要充分发挥多核处理器的性能，势必需要涉及核间通信，另外还有许多共享资源的分配的问题需要考虑。
  IPC（Inter-Processor Communication）是RTSC体系下的一个Package，专门用来实现不同核之间的通信。IPC可以在这里下载。3.0版本以后的IPC会直接包含在对应的SDK里面，如果要用更早的版本，也可以再下载，只是要注意最好对上XDCTools和SYS/BIOS的版本。

IPC 版本3.50.041.25.03
XDCTools3.55.023.24.05
SYS/BIOS6.76.036.34.04

  3.50版本的IPC是包含在C667x的PDK里的，但我在安装的时候XDCTools安装失败了，可能是CCS版本比较老的原因，所以我就用的是1.25版本的IPC。虽然这两个版本号有很大差别，但是用起来应该差不多吧，我猜。这个Package的使用主要就看文档就好了，我在这里只做一些简短的记录。
  IPC Package里有很多module，要使用这些module，需要include的头文件在<ipc_install_dir>/packages/ti/ipc/目录下面，一般都会用到这些：

// type define
#include <xdc/std.h>

#include <ti/ipc/Ipc.h>
#include <ti/ipc/MultiProc.h>
#include <ti/ipc/SharedRegion.h>
#include <ti/ipc/Notify.h>
#include <ti/ipc/MessageQ.h>
#include <ti/ipc/GateMP.h>

  不管是用Linux内核还是用SYS/BIOS内核，用到的都是这些头文件。在include这些头文件之前要另外include一个关于类型定义的头文件<xdc/std.h>。关于这些头文件里的API的说明在<ipc_install_dir>/docs/doxygen/html/index.html里有，是用doxygen根据源码里的注释生成的文档。
  由XDCTools编译生成的<ipc_install_dir>/packages/ti/sdo/ipc/目录下的头文件是不能直接使用的。这些module可以在.cfg配置文件中进行配置，在C/C++源文件中只需要看上面的头文件里提供的API就可以了。

核间通信的初始化

  核间通信的初始化会用到三个module，分别是Ipc，MultiProc和SharedRegion。Ipc模块可以用ProcSync_ALL属性来设置成自动同步每个核，这样在执行完Ipc_start()之后，每个核之间就同步完成了，不需要手动去调用Ipc_attach()。有时候我们不需要每个核之间都同步时就可以去手动调用Ipc_attach()，让特定的几个核之间建立联系。
  Ipc_attach()要成功，还需要用到MultiProc模块，它可以设置我们的多核程序需要用到那几个核，当前这个工程是针对哪个核来编写的，例如下面我准备用4个核，然后当前的配置是针对核0来编写的。核0执行Ipc_start()的时候就会尝试去和另外三个核建立联系。
  核间同步需要用到一块共享的数据区，因此需要用到SharedRegion，SharedRegion0会被用来做这些事，大概会需要用几百个字节吧，剩下的空间用户仍然可以继续使用。

var Ipc = xdc.useModule('ti.sdo.ipc.Ipc');
var MultiProc = xdc.useModule('ti.sdo.utils.MultiProc');
var SharedRegion = xdc.useModule('ti.sdo.ipc.SharedRegion');

Ipc.procSync = Ipc.ProcSync_ALL;

MultiProc.baseIdOfCluster = 0;
MultiProc.numProcessors = 4;
MultiProc.setConfig("CORE0", ["CORE0", "CORE1", "CORE2", "CORE3"]);

var SMSMC_BASE = 0x0C000000;
var SMSMC_SIZE = 0x00080000;

SharedRegion.numEntries = 4;
SharedRegion.translate = false;
SharedRegion.setEntryMeta(0,
    { base: SMSMC_BASE, 
      len:  SMSMC_SIZE,
      ownerProcId: 0,
      isValid: true,
      cacheEnable: true,
      cacheLineSize: 64,
      createHeap: true,
      name: "MSMC_SHARED",
    });

  上面是一个配置的示例，在这之前，每个核的platform一定要有一块相同物理地址的共享存储区。如果它们在不同核中的逻辑地址不同，那么需要SharedRegion.translate设置成true，进行地址转换。我在MSMC中选择512kB用作SharedRegion0，它在每个核中的地址都是相同的所以可以设置成false，节省资源。SharedRegion的cacheLineSize需要根据实际情况设置，MSMC会被L1D cache，查阅文档可以指导L1D cache的cacheline是64字节。

// IPC initialization
status = Ipc_start();
if(status < 0){
    System_abort("Ipc start failed\n");
}

  配置完成后，在每个核的main函数中最开始的位置执行Ipc_start()，不出意外每个核之间会完成同步，之后就可以执行其它的IPC模块的API。可以在调试程序，然后通过ROV查看Ipc模块的状态，下图是核0与其它三个核的同步的情况，attached都是true表明核0已经与其它三个和都同步上了。
在这里插入图片描述

Notify

  Notify适合用来发送简短的信息，因为Notify可以带一个32bit的payload。Notify通信的基础是IPC寄存器，C6678的IPC寄存器中只有4-31共28个事件源。某个核如果想要收到另一个核的Notify，就需要先注册这个Notify，将某个事件源和一个回调函数（callback）绑定。
在这里插入图片描述

  我没有为核0注册Notify事件，但是它本身就已经有了两个事件Id被注册了。所以用的时候要注意，不要用2号和4号EventId，会产生冲突。用5-31号的EventId应该没问题。提到这个我还想到，DSP的CorePac里4-15的中断Id里，5号中断已经被用来处理IPC中断了，14号中断用来处理定时器中断，因此这两个中断号也是不能用的。

MessageQ

  Notify能够发送的数据有限，但如果只是发送一个数据块，Notify也可以只发送一个数据块的首地址指针。MessageQ可以用来发送批量的数据，而且可以很方便地与任务调度结合起来。比如一个Task如果需要等待另一个核产生的数据，如果用Notify实现，那么需要在Notify的Callback函数里产生一个Semaphore，在Task里等待这个Semaphore。而MessageQ则可以只通过MessageQ_get()函数实现接收数据和Semaphore等待的功能。MessageQ相比于Notify更大的优势在于它是一个队列，可以对收到的消息按照优先级排队，处理器可以依次处理每个消息。
在这里插入图片描述
  通过MessageQ发送的Message的长度可以是任意的，我们可以根据自己的需求定义数据结构。比如我最近用Core1调用Core3执行FFT，FFT计算完成后Core3通过Notify告知Core1计算完成。那么Core1就需要利用MessageQ将一些必要的参数告诉Core3。因此我定义了以下的数据结构FftMsg，其中包括FFT计算的类型、源数据地址、目的数据地址、二维FFT的长和宽。只要保证这个数据结构最前面是MessageQ_MsgHeader，后面可以随意。header里面本身是由一个replyQueueId的，可以方便接收方将Message返回给发送方。header里面还有一个MessageId，用来区分发往同一个MessageQ的不同类型的Message。我自己又加了一个nReplyCoreId，用来告诉Core3在FFT计算完成后，要向哪个Core发送Notify。

typedef enum FFT2dType
{
    FFT2d_R2R = 0,
    FFT2d_R2C,
    FFT2d_R2C_N,
    IFFT2d_C2R
} FFT2dType;

typedef struct FftMsg{
    MessageQ_MsgHeader header;
    FFT2dType eType;
    float *pSrc;
    float *pDst;
    int nWidth;
    int nHeight;
    Uint16 nReplyCoreId;
} FftMsg;

typedef FftMsg *FftMsgHandle;

  MessageQ是由接收方创建的，Core1要往Core3发送Message，Core1只需要打开Core3创建的MessageQ即可。有可能会打开失败，因为Core3可能一开始还没创建好这个MessageQ，所以做了一个do-while循环。
  Core1在调用之前一定要确保源数据都已经写回共享的存储区，如果还留在Core1本地的Cache里，那么计算结果就会出错。
  要发送的Message是动态分配的，一般是动态分配在一个SharedRegion里构建的堆区，每个核都需要为同一个堆区注册一个相同的HeapId，MessageQ_alloc靠HeapId来决定在哪里动态分配数据空间。
  Mesage可以设置优先级，优先级只有三种，默认是Normal，较高的是MessageQ_HIGHPRI，最高优先级是MessageQ_URGENTPRI。

// Core1 code, FFT caller
FftMsgHandle hFftCmd;
MessageQ_QueueId fftQueueId;

do{
    status = MessageQ_open(MSGQ_FFTCMD_NAME, &fftQueueId);
    if(status < 0){
        Task_sleep(1);
    }
} while (status < 0);

Cache_wbInv(pData, KCF_DFT_SIZE * KCF_DFT_SIZE * sizeof(float), Cache_Type_ALLD, TRUE);
// FFT
hFftCmd = (FftMsgHandle)MessageQ_alloc(nHeapId, sizeof(FftMsg));
if(hFftCmd == NULL){
    System_abort("Message alloc failed\n");
}
hFftCmd->eType = FFT2d_R2R;
hFftCmd->nWidth = 32;
hFftCmd->nHeight = 32;
hFftCmd->pSrc = pData;
hFftCmd->pDst = pData;
hFftCmd->nReplyCoreId = 1;
// MessageQ_setMsgId(hFftCmd, MSG_C1FFT_ID);
if(m_nCoreId == 1){
    MessageQ_setMsgPri(hFftCmd, MessageQ_HIGHPRI);
}

status = MessageQ_put(fftQueueId, (MessageQ_Msg)hFftCmd);
if(status < 0){
    System_abort("MessageQ put failed\n");
}

Semaphore_pend(hFFTDoneSem, BIOS_WAIT_FOREVER);

  Core3是接收方，首先需要创建一个MessageQ来接收Message。然后就可以不停等待Message，就像作为一个服务器不断处理客户端发过来的计算任务。

// Core3 code， FFT callee
MessageQ_Handle hFftCmdQueue;
FftMsgHandle hFftMsg;

// using default synchronizer SyncSem
hFftCmdQueue = MessageQ_create(MSGQ_FFTCMD_NAME, NULL);
if(hFftCmdQueue == NULL){
    System_abort("MessageQ create failed\n");
}

for (;;){
    MessageQ_get(hFftCmdQueue, (MessageQ_Msg *)&hFftMsg, MessageQ_FOREVER);

    // TODO FFT

    // free message
    MessageQ_free((MessageQ_Msg)hFftMsg);

    // Send Notify
    do{
        status = Notify_sendEvent(hFftMsg->nReplyCoreId, NOTIFY_LINEID, FFT_DONE_EVTID, 0, TRUE);
    } while (status < 0);
}

GateMP

  GateMP用来让多核互斥访问某些资源，这个我暂时还没用到，但用起来也挺简单的，文档上也都写得很清楚。

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