駱國(guó)麗，張學(xué)健，肖 亮

（北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029）

0 引 言

當(dāng)前B模式超聲成像 （B 超）技術(shù)處于活躍的發(fā)展態(tài)勢(shì)中，設(shè)備的小型化與便攜化是其中一個(gè)重要的方向，目的在于降低成本、拓展應(yīng)用面。為了保證設(shè)備的成像質(zhì)量，必須提高圖像分辨率并縮短成像時(shí)間，這必然會(huì)對(duì)成像過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理和傳輸帶來(lái)很高的要求。目前B 模式超聲成像領(lǐng)域常用的圖像處理硬件架構(gòu)主要是：①基于PC機(jī)的架構(gòu)［1］，單純由CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該方案簡(jiǎn)單易行，但CPU 的浮點(diǎn)處理速度較慢；②基于GPU （圖形處理器）的架構(gòu)［2］，GPU 具有最快地處理速度，但難以集成到嵌入式設(shè)備中，并且面臨著數(shù)據(jù)傳輸瓶頸；③基于多處理器的架構(gòu)［3］，由兩片處理器 （TI公司的C6455＋OMAP3530）結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該方案具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理與傳輸性能，然而電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。

本文討論了基于TMS320C6678的高速數(shù)據(jù)傳輸 （包括核間數(shù)據(jù)傳遞與網(wǎng)絡(luò)通信），以提高B模式超聲成像的實(shí)時(shí)性。TMS320C6678是TI公司于2010 年推出的一款多核DSP，擁有8 個(gè)核 （DSP core），單個(gè)核的速度為定點(diǎn)40 GMAC／s，浮點(diǎn)20GFLOP／s。片內(nèi)有4 MB 的共享內(nèi)存，片外最大8GB 的存儲(chǔ)空間 （DDR3）。此外，該DSP 擁有包括2個(gè)千兆以太網(wǎng)端口在內(nèi)的多種強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信接口。本研究的數(shù)據(jù)處理針對(duì)成像的中端 （前端包括數(shù)字解調(diào)與波束合成，一般由FPGA 完成；后端包括圖像濾波與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可以由其它的核或PC 機(jī)完成），包括包絡(luò)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)壓縮、頻率復(fù)合及行濾波。數(shù)據(jù)處理和傳輸任務(wù)分配在4個(gè)核上以流水的方式進(jìn)行，核與核之間通過(guò)Notify Model進(jìn)行通信，通過(guò)配置公用存儲(chǔ)區(qū)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，片內(nèi)外的數(shù)據(jù)交換通過(guò)EDMA （enhanced DMA）方式高速進(jìn)行。DSP與PC機(jī)之間通過(guò)千兆以太網(wǎng)相連，基于TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)通信程序調(diào)用網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)套件 （NDK），在SYS／BIOS嵌入式操作系統(tǒng)下運(yùn)行。程序已經(jīng)開(kāi)發(fā)完畢并進(jìn)行了大量的測(cè)試，結(jié)果表明，任意2個(gè)核傳遞數(shù)據(jù)的時(shí)間小于1ms（圖像大小為512×1024），網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸速率可穩(wěn)定地達(dá)到60 MBps左右。這樣，結(jié)合以優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理算法，DSP能夠每秒處理和傳輸40幀圖像，完全滿足實(shí)時(shí)成像的要求。

1 DSP軟件資源簡(jiǎn)介

TI公司為多核DSP的開(kāi)發(fā)提供了豐富的軟件工具，重點(diǎn)包括：SYS／BIOS嵌入式操作系統(tǒng)、IPC （inter－processor communication）、NDK （network development kit）。

1.1 SYS／BIOS操作系統(tǒng)

SYS／BIOS是TI公司開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是DSP／BIOS的擴(kuò)展和增強(qiáng)。它支持有實(shí)時(shí)調(diào)度和同步需求的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，支持搶占式多線程、線程之間的通信和同步、硬件抽象和實(shí)時(shí)分析等。SYS／BIOS 的線程模型可為不同的情況提供不同的線程類型，操作者可以通過(guò)選擇不同的線程類型來(lái)控制線程的優(yōu)先級(jí)和阻塞特性?；赟YS／BIOS開(kāi)發(fā)DSP軟件，可以使所有的操作都在操作系統(tǒng)下得到有效的管理，有利于系統(tǒng)優(yōu)先處理緊急事件，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

1.2 IPC

IPC組件用于多核處理器系統(tǒng)的核間通信和與外設(shè)間的通信。該組件是基于SYS／BIOS設(shè)計(jì)的，包含用于多核通信的組件和接口，可用于DSP 或其它處理器。IPC 能夠?qū)崿F(xiàn)以下通信：

（1）同一處理器核的不同線程間通信；

（2）同一處理器不同核上的線程間通信；

（3）不同處理器的線程間通信；

（4）處理器與外設(shè)之間的通信。

1.3 NDK

為了加速C6000系列DSP的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)進(jìn)程，TI公司提供了NDK。由于NDK 中內(nèi)置了常用的服務(wù)程序，因此對(duì)它的調(diào)用不僅可以有效地減少服務(wù)占用的資源，而且可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。NDK 為TCP／IP協(xié)議棧提供了完整的功能化環(huán)境，包括5 個(gè)主要的支持TCP／IP 協(xié)議棧的程序庫(kù)，即：STACK.LIB，NETTOOL.LIB，OS.LIB，HAL.LIB，NETCTRL.LIB。

2 核間數(shù)據(jù)傳遞

TMS320C6678實(shí)現(xiàn)核間數(shù)據(jù)高速傳遞的關(guān)鍵點(diǎn)在于：核間通信、數(shù)據(jù)共享以及高速訪問(wèn)。

2.1 基于Notify Model的核間通信

Notify Model是主要的核間通信方式之一，為IPC 庫(kù)所支持，該方法使用中斷和回調(diào)函數(shù)來(lái)完成多核間的通信。Notify Model的配置方式如圖1所示。

圖1 Notify Model的配置

通知模塊 （notify module）用于對(duì)通知方案中用到的資源進(jìn)行靜態(tài)配置，調(diào)用多核處理器模塊 （multiproc module）配置需要啟用的DSP核個(gè)數(shù)及其名稱。需要在SYS／BIOS操作系統(tǒng)的靜態(tài)配置文件 （＊.cfg）中進(jìn)行如下配置：

當(dāng)配置完成后，任意核CORE A 向CORE B 發(fā)送通知的基本流程如圖2所示。

圖2 基于Notify Model，CORE A 向CORE B發(fā)送消息的基本流程

Ipc＿start（）函數(shù)用于在各個(gè)DSP 核之間建立連接，為了接收其它核來(lái)的通知，接收核需要調(diào)用函數(shù)Notify＿registerEvent（）根據(jù)預(yù)定的事件號(hào)注冊(cè)一個(gè)或多個(gè)中斷；然后其它核通過(guò)調(diào)用函數(shù)Notify＿sendEvent（）觸發(fā)接收核中相應(yīng)的事件來(lái)完成通信；當(dāng)相應(yīng)事件被觸發(fā)后，預(yù)定義的一個(gè)或多個(gè)回調(diào)函數(shù)就開(kāi)始執(zhí)行。

2.2 核間數(shù)據(jù)共享

TMS320C6678 中的每個(gè)核都能訪問(wèn)設(shè)備中的所有空間，這意味著每個(gè)核都能對(duì)存儲(chǔ)區(qū)的任意空間進(jìn)行讀寫(xiě)。因此，多核間的數(shù)據(jù)共享可通過(guò)設(shè)置公用存儲(chǔ)區(qū)實(shí)現(xiàn)。為了保證足夠的存儲(chǔ)空間，該公用存儲(chǔ)區(qū)位于外部DDR3內(nèi)存中，起始地址與大小固定。發(fā)送核將數(shù)據(jù)寫(xiě)入公用存儲(chǔ)區(qū)，并使用核間通信方式通知接收核，接收核接收到通知后從公用存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)讀取數(shù)據(jù)。發(fā)送核和接收核必須采用同樣的核間通信方案。對(duì)于地址確定的數(shù)據(jù)共享區(qū)，采用Notify Model方案可以獲得最好的核間通信性能。

2.3 基于EDMA的數(shù)據(jù)訪問(wèn)

EDMA 主要用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備中2個(gè)地址空間之間快速的數(shù)據(jù)傳輸。例如，數(shù)據(jù)從片外存儲(chǔ)區(qū)讀入到片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)，或相反。

EDMA 應(yīng)用有2種模式，一種是事件觸發(fā)，另一種是CPU 觸發(fā)。前一種一般應(yīng)用于需要由外部中斷信號(hào)或定時(shí)器等觸發(fā)EDMA 啟動(dòng)，后一種是CPU 主動(dòng)啟動(dòng)EDMA的操作。

編程過(guò)程中使用到的主要函數(shù)及其功能：CSL＿edma3Open（）用于打開(kāi)EDMA模塊，CSL＿edma3ChannelOpen（）用于打開(kāi)相應(yīng)的通道，CSL＿edma3ParamSetup（）為傳輸通道填充參數(shù)，參數(shù)填充完成后調(diào)用CSL＿edma3HwChannel－Control（）觸發(fā)通道開(kāi)始傳輸，CSL＿edma3GetHwStatus（）可以用來(lái)檢測(cè)傳輸是否完成，傳輸完成后調(diào)用CSL＿edma3ChannelClose（）和CSL＿edma3Close（）關(guān)閉傳輸通道和EDMA模塊。

3 網(wǎng)絡(luò)通信

3.1 TCP／IP協(xié)議棧的初始化和配置

在以NDK 為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)環(huán)境中，一個(gè)套接字 （socket）應(yīng)用程序被執(zhí)行之前，堆棧必須預(yù)先配置和初始化。為了能幫助初始化過(guò)程更加的標(biāo)準(zhǔn)并且專用，網(wǎng)絡(luò)控制模塊的源代碼 （NETCTRL.LIB）包含在NDK 的每個(gè)版本中，它是NDK 堆棧初始化、配置和事件調(diào)度核心。網(wǎng)絡(luò)控制模塊使用的基本流程如下：

（1）預(yù)初始化 （NC＿SystemOpen （）），它初始化堆棧和堆棧各組成信息所需要的內(nèi)存環(huán)境。

（2）系統(tǒng)配置

為了繼續(xù)使用NETCTRL API，必須創(chuàng)建系統(tǒng)配置。創(chuàng)建一個(gè)配置總是從調(diào)用CfgNew （）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)配置句柄開(kāi)始。一旦配置句柄被創(chuàng)建，配置信息可以通過(guò)調(diào)用CfgLoad （）或CfgAddEntry（）函數(shù)裝入句柄或者它創(chuàng)建的條目。

（3）網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng) （NC＿NetStart（））

一旦配置句柄加載完成正確的配置，網(wǎng)絡(luò)事件調(diào)度將通過(guò)調(diào)用的NETCTRL函數(shù)NC＿NetStart（）實(shí)現(xiàn)。函數(shù)NC＿NetStart（）不會(huì)返回，直到系統(tǒng)關(guān)機(jī)，然后返回關(guān)機(jī)代碼作為它的返回值。

（4）調(diào)用NC＿SystemClose（），關(guān)閉系統(tǒng)并退出。

3.2 任務(wù)創(chuàng)建

socket應(yīng)用程序開(kāi)始于任務(wù)線程的創(chuàng)建。根據(jù)所提供的協(xié)議棧庫(kù)，任務(wù)可以使用TaskCreate（）來(lái)創(chuàng)建。它直接創(chuàng)建出擁有3個(gè)參數(shù) （參數(shù)不一定全部使用）的和SYS／BIOS具有相同基本任務(wù)屬性的線程。

用戶自定義的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)線程從NC＿NetStart（）提供的 “NetworkOpen （）”回調(diào)函數(shù)中啟動(dòng)。

以下是使用NC＿NetStart（）啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的代碼：

3.3 關(guān)聯(lián)文件描述符表

在SYS／BIOS環(huán)境下，NDK 堆棧支持標(biāo)準(zhǔn)的socket接口功能，由于這些功能要求文件描述符的支持，協(xié)議棧提供了自己的小文件系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都有它自己的文件描述符字段。堆棧的工作原理是將每個(gè)調(diào)用的線程與一個(gè)文件描述符關(guān)聯(lián)。最基本的方法是線程開(kāi)始前必須調(diào)用fdOpenSession （）函數(shù)，然后面向文件描述符的函數(shù)才可以被調(diào)用，當(dāng)它們不再被需要時(shí)調(diào)用fdCloseSession （）函數(shù)，程序示例：

3.4 Socket編程

網(wǎng)絡(luò)傳輸共創(chuàng)建了3個(gè)線程：

第1個(gè)線程StackTest在SYS／BIOS中靜態(tài)創(chuàng)建，用于啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)配置文件的設(shè)置，在main（）函數(shù)中啟動(dòng)SYS／BIOS之后，程序跳轉(zhuǎn)執(zhí)行此線程。這個(gè)線程稱為NETCTRL線程，它不是真正的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)線程，系統(tǒng)不必為它分配文件描述符表。雖然它是作為初始化的一部分，但是NETCTRL 線程最終成為NDK 堆棧的事件調(diào)度表。

第2個(gè)線程CtrlTask在SYS／BIOS中靜態(tài)創(chuàng)建，該線程用于接收控制指令，控制數(shù)據(jù)的發(fā)送、終止及線程退出，如圖3所示，用switch case語(yǔ)句判斷接收到的命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

第3個(gè)線程DataTask是在第2 個(gè)線程中動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的，用于數(shù)據(jù)發(fā)送，其優(yōu)先級(jí)最低。

圖3 線程CtrlTask的流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用的硬件平臺(tái)為TI 公司的評(píng)估板TMSEVM6678L，TMS320C6678的時(shí)鐘頻率為1 GHz，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為CCS5.3。

B模式超聲成像的圖像處理步驟按照順序依次為：包絡(luò)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)壓縮、頻率復(fù)合以及行濾波，表1 給出了單個(gè)DSP 核對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算的時(shí)間開(kāi)銷 （圖像大?。?12×1024）。

表1 B模式超聲成像各處理步驟的計(jì)算時(shí)間開(kāi)銷

根據(jù)對(duì)表1分析得出，為了獲取最高的成像處理速度，可以將圖像處理任務(wù)分配到3 個(gè)核上以流水的方式進(jìn)行：核0完成包絡(luò)檢測(cè)，核1完成動(dòng)態(tài)壓縮，核2完成頻率復(fù)合與行濾波。此外，用核3 承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)，負(fù)責(zé)將B超圖像通過(guò)Ethernet傳輸?shù)絇C 機(jī)。數(shù)據(jù)的處理與傳輸流程如圖4所示。

圖4 TMS320C6678實(shí)現(xiàn)B模式超聲成像的處理與傳輸流程

圖2所示流程中，相鄰核之間的數(shù)據(jù)傳遞，以CORE 0向CORE 1傳遞的數(shù)據(jù)量最大，為3×512×1024×16bit＝3 MB，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，所需時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 核間數(shù)據(jù)傳遞 （CORE 0到CORE 1）時(shí)間開(kāi)銷

在網(wǎng)絡(luò)編程中，PC 機(jī)端socket的緩沖區(qū)大小設(shè)為8 KB，DSP端socket的緩沖區(qū)大小設(shè)為32KB，多次長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試表明DSP與PC機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可以穩(wěn)定在60 MBps左右，即每秒能傳送120幀512×1024大小的圖像。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于512×1024大小的圖像，DSP任意2個(gè)核傳遞數(shù)據(jù)的時(shí)間小于1ms。考慮到每個(gè)核成像處理所需時(shí)間以及公用存儲(chǔ)區(qū)訪問(wèn)仲裁所需時(shí)間，4 個(gè)核流水完成一幀圖像處理與傳輸時(shí)間小于25ms（即每秒處理40幀），滿足了實(shí)時(shí)成像的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了基于多核DSP （TMS320C6678）的B 模式超聲成像系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，包括核間數(shù)據(jù)傳遞與網(wǎng)絡(luò)通信兩項(xiàng)技術(shù)。核間數(shù)據(jù)傳遞由核間通信、數(shù)據(jù)共享以及EDMA 訪問(wèn)3項(xiàng)功能構(gòu)成；網(wǎng)絡(luò)通信采用NDK 進(jìn)行編程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于512×1024大小的圖像，DSP 總的處理速率能夠達(dá)到40幀／秒，滿足實(shí)時(shí)成像的要求，從而為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于多核DSP的便攜式超聲成像系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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