步履之间

[转载] 乒乓缓冲区（Ping-Pong Buffers）

原文出处： https://embedded.fm/blog/2017/3/21/ping-pong-buffers
作者： Embedded.fm 博客
原文发布日期： 2017 年 3 月 21 日
许可协议： 原文未声明显式开源协议，本文为其中文翻译，所有权利归原文作者所有。原文配图已本地化托管。

当 Andrei 在讲解 DMA 的原理和两个实现示例时，我一直在想：他什么时候会讲到我常用的那种用法——一个慢速外设慢慢「滴」进数据，直到攒够数量再对它跑某个算法。（公允地说，Andrei 也一直在想我什么时候会写出那篇我答应过却又忘了的、关于乒乓缓冲区的文章。）

使用乒乓缓冲区并不是一个很难的概念，它只是一种把内存来回挪动的方式，让系统的不同部分能够各自使用它而互不冲突。见下面的系统架构图。

所讨论系统的架构草图：外设通过 SPI 连到处理器，DMA 负责搬运数据，缓冲区供算法读取。
所讨论系统的架构草图。

假设你有一颗外接的高精度 ADC 挂在 SPI 总线上，以 96kHz 采样——也许是为了做一个音频小设备。ADC 需要它的缓冲区被及时读走以免丢数据，但这个过程很简单：

  1. 处理器收到 DataReady 中断。
  2. 通过 DMA，SPI 发出 ADC 的读命令，并附上足够多的 0xFF 哑字节（dummy bytes）来传输一个样本。

由于是 DataReady 这个 GPIO 中断触发了一次基于 DMA 的 SPI 传输，处理器的主循环对此可以完全无感知。事实上，这个过程可以重复几百次，直到你攒够了足以真正做点事情的样本量：跑一遍信号处理、做压缩、或者存到某种存储器里（比如 SD 卡）。

按这种思路，数据采集的流程就变成了：

  1. 处理器收到 DataReady 中断。
  2. 通过 DMA，SPI 发出 ADC 的读命令，并附上足够多的 0xFF 哑字节来传输一个样本。
  3. 重复步骤 1、2，直到装满 N 个样本的缓冲区，从而触发 DMAComplete 中断。
  4. DMAComplete 中断：通知算法开始运行。
  5. （非中断上下文中）算法在数据上运行。

前四步发生得非常快，且大部分在硬件里完成，所以几乎不占用处理器周期。这给我们留出了更多时间去做最后一步——把原始数据变成可执行的智能信息，这才是有趣的部分。下面来看看这些中断在时间轴上是如何发生的。

时间轴：周期性的 ADC 读取，在攒满 N 个样本（图中 N=8）后触发一次 DMA 完成中断。
时间轴：周期性的 ADC 读取，在攒满 N 个样本（图中 N=8）后触发一次 DMA 完成中断。

想象一个正在被 ADC 样本填满的缓冲区。当 DMAComplete 中断发生、而距离下一个 ADC 样本到来之间只差一个样本时，问题就出现了。一旦下一个 ADC 样本就绪，它就会写进你的缓冲区——也就是你正在上面跑算法的那个缓冲区。你可以把整块数据拷贝出来，但那是在浪费周期。

换个办法，我们可以用乒乓缓冲区（ping-pong buffer）。分配两个大小为 N（算法所需的样本数）的缓冲区。我们姑且把其中一个叫 Ping，另一个叫 Pong。

我们会修改 SPI/DMA 的初始化代码，让它把 SPI 收到的数据存进 Ping 缓冲区。然后，在 DMAComplete 中断里，你要做的事情大致是：

若当前正在使用的缓冲区是 Ping：
    把 DMA 当前使用的缓冲区切换为 Pong
    通知运行时去处理 Ping
否则（当前正在使用的缓冲区是 Pong）：
    把 DMA 当前使用的缓冲区切换为 Ping
    通知运行时去处理 Pong

系统就在两个缓冲区之间来回翻转，让你先在一个缓冲区上跑算法，再在另一个上跑，如此往复循环下去。

时间轴：周期性的 ADC 中断，以及两个乒乓缓冲区各自的当前状态（一个正被 DMA 写入，另一个正被处理）。
时间轴：周期性的 ADC 中断，以及两个乒乓缓冲区各自的当前状态。

如果你觉得这很像一个只有 2 个元素的循环缓冲区，那你完全正确。因此，如果你的处理时间比数据采集时间还要长，可以改用（由多个缓冲区组成的）循环缓冲区。这在脑子里稍微有点绕，但画一张你想要的示意图会大有帮助。

注：乒乓缓冲区并不是什么新概念。我已经在音频和其他数据处理中用过好几次。你也常常见到它被用于往显示器送数据，以及处理视频输入——在视频领域它通常被称为双缓冲（double buffering）。