Linux 與大多數(shù)通用操作系統(tǒng)的一個(gè)基本屬性就是用戶空間程序與所用的底層系統(tǒng)資源相分離。僅在工作處于監(jiān)控（如內(nèi)核）模式下時(shí)才允許直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器和設(shè)備外設(shè)。

　　如果用戶程序希望訪問(wèn)系統(tǒng)資源，那么它必須通過(guò)稱作驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)核模塊從內(nèi)核發(fā)出請(qǐng)求。該應(yīng)用位于用戶存儲(chǔ)器空間，并將通過(guò)虛擬文件訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序。然后，虛擬文件將應(yīng)用的請(qǐng)求轉(zhuǎn)至驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行的內(nèi)核存儲(chǔ)器空間。

　　Linux 可提供特性極為豐富的驅(qū)動(dòng)器模型，其中包括標(biāo)準(zhǔn)流媒體外設(shè)、模塊存儲(chǔ)設(shè)備以及文件系統(tǒng)，甚至還包括網(wǎng)絡(luò)與基于網(wǎng)絡(luò)的文件系統(tǒng)。

　　驅(qū)動(dòng)器與用戶空間應(yīng)用的分離可實(shí)現(xiàn)高度的穩(wěn)健性。此外，通用驅(qū)動(dòng)器接口上的抽象水平使其便于將數(shù)據(jù)流傳輸給串行端口、閃存文件系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)共享文件夾，且僅需對(duì)底層應(yīng)用代碼稍作更改。

　　然而，實(shí)現(xiàn)這種靈活性需要付出代價(jià)。應(yīng)用與物理資源的嚴(yán)格分離會(huì)加大開(kāi)銷。如果用戶空間程序要訪問(wèn)設(shè)備外設(shè)，則內(nèi)核模式必須進(jìn)行環(huán)境交換才能處理該請(qǐng)求。

　　由于數(shù)據(jù)是成塊訪問(wèn)，而非逐個(gè)樣本 （sample-by-sample） 訪問(wèn)，因此通常來(lái)說(shuō)這不會(huì)造成太大的局限性。這樣，內(nèi)核模式下每次塊訪問(wèn)僅需進(jìn)行一次環(huán)境交換即可。

　　但是，在某些情況下，應(yīng)用代碼需與物理硬件嚴(yán)格匹配。如果使用 DSP 等對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量要求較高且不能容忍停頓的高性能處理器時(shí)，通常就會(huì)出現(xiàn)此類情況。這時(shí)，內(nèi)核空間的物理資源與用戶空間的應(yīng)用相分離的做法就可能會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

　　應(yīng)用與硬件的匹配

　　我們不妨使用 TMS320DM643x 處理器架構(gòu)來(lái)研究在執(zhí)行塊視頻處理時(shí)會(huì)遇到的典型情況，該架構(gòu)采用一個(gè) 600 MHz / 4800 MIPS DSP 處理內(nèi)核以及諸如功能豐富的視頻端口子系統(tǒng)等各種多媒體外設(shè)。這種硬件通常用于將輸入視頻流進(jìn)行 H.264 格式壓縮。

　　為了充分發(fā)揮 DSP 內(nèi)核的處理能力，處理的數(shù)據(jù)應(yīng)從周期操作內(nèi)部存儲(chǔ)器讀取，而不是從速度較慢的外部存儲(chǔ)器讀取。盡管在技術(shù)上可以讓具有足夠快的片上存儲(chǔ)器的處理器存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)完整的視頻幀，但這種技術(shù)對(duì)大多數(shù)目標(biāo)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)成本太高。因此，采用可提供 80 KB 的單周期操作片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的處理器取而代之。

　　80 KB 雖然小，不能存儲(chǔ)完整的視頻幀，但 TI 通過(guò)模擬檢測(cè)認(rèn)為，這樣的存儲(chǔ)量足夠?yàn)?H.264與其它視頻處理算法提供最佳的面積／性能綜合比。

　　DSP 通過(guò)直接存儲(chǔ)器存取 （DMA） 控制器為該存儲(chǔ)器提供數(shù)據(jù)，這種控制器還可用于內(nèi)外部存儲(chǔ)器之間高效傳輸數(shù)據(jù)子塊，而不會(huì)占用處理器內(nèi)核的周期操作（見(jiàn)以下圖 1）。

　　圖 1. DSP 處理器采用DMA 硬件將外部存儲(chǔ)器中較小的視頻幀子塊傳輸?shù)絻?nèi)部存儲(chǔ)器中，以供 DSP內(nèi)核進(jìn)行處理。

　　從整體系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，這種方法可提供幾乎相當(dāng)于具有整個(gè)視頻緩沖器的芯片所提供的性能，但成本卻非常低。不過(guò)，為了實(shí)現(xiàn)這樣的高性能，就需要應(yīng)用、操作系統(tǒng)以及底層存儲(chǔ)器與 DMA 硬件之間的緊密配合。

　　首先，應(yīng)用必須能夠區(qū)別快速內(nèi)部存儲(chǔ)器與大容量外部存儲(chǔ)器。其次，應(yīng)用必須能夠執(zhí)行許多時(shí)間精確的小型 DMA 操作。由于訪問(wèn) DMA 時(shí)發(fā)生的所有時(shí)延在 DMA 訪問(wèn)每個(gè)視頻幀時(shí)都會(huì)放大數(shù)百倍乃至數(shù)千倍，因而在 Linux 驅(qū)動(dòng)程序模型內(nèi)高效實(shí)現(xiàn) DMA 操作雖非不可能，但也極為困難。

　　這種方法的實(shí)際實(shí)施可通過(guò) DSP/BIOS 完成，并提供原生 API 來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用對(duì)內(nèi)外部存儲(chǔ)器的請(qǐng)求，同時(shí)也使應(yīng)用可直接訪問(wèn) DMA 寄存器，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境交換損失。

　　兩種操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合

　　盡管眾多多媒體應(yīng)用的大部分處理器周期操作都用來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理，但能滿足消費(fèi)需求的產(chǎn)品同時(shí)還必須執(zhí)行許多更高級(jí)的功能，如用戶界面、顯示功能、網(wǎng)絡(luò)以及文件處理等。

　　由于上述特性對(duì)時(shí)間要求不高，因此無(wú)需精確控制 DSP/BIOS。這時(shí)，Linux驅(qū)動(dòng)程序模型所提供的資源提取功能就可更好地提高靈活性，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，更不用說(shuō)可獲得 Linux 社區(qū)豐富的開(kāi)源應(yīng)用代碼支持了。

　　可使 Linux 與 DSP BIOS 操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行在同一設(shè)備上的解決方案，就是需要使用虛擬程序 （virtualizer） 為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)或集成人員提供這兩種操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)圖 2）。