TS201在數(shù)字信號處理設(shè)計中的應(yīng)用

0 引言

       當(dāng)前信號處理的發(fā)展趨勢是可重構(gòu)、可擴展的通用信號處理系統(tǒng)。即通過靈活的軟件編程來適應(yīng)處理問題的變化和算法的發(fā)展，通過簡單的硬件擴展來適應(yīng)規(guī)模處理的變化，以提高信號處理系統(tǒng)的可編程能力和升級能力。而采用具備強大處理能力的ADSP-TS201S芯片可以對大量的數(shù)據(jù)作實時處理。TS201S可在600 MHz的內(nèi)核時鐘下完成每秒48億次乘累加(MAC)運算和每秒36億次浮點運算(FLOP)，具有比同類處理器高出50％～100％的處理能力。它內(nèi)部集成了24 MB的存儲器，其片內(nèi)大存儲量與高達33.6 Gb/s的內(nèi)部帶寬是提高性能的關(guān)鍵。TS201S的外部64位數(shù)據(jù)總線和32位地址總線時鐘最高可達125 MHz。

        本文通過GA3816、FPGA和DSP構(gòu)建了一個高速、通用、可擴展的多功能信號處理平臺，該信號處理平臺經(jīng)過動態(tài)配置GA3816處理芯片可實現(xiàn)一些信號處理領(lǐng)域常用的運算，也可以通過對DSP、FPGA芯片的編程來實現(xiàn)一些其它算法，所以該平臺能夠廣泛的應(yīng)用于信號處理等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

        本通用信號處理平臺主要由雙TS201、雙stratix系列FPGA和雙GA3816處理器構(gòu)成，同時使用了一些RAM、FLASH和SDRAM器件來存儲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和程序。系統(tǒng)與外部進行通信的接口主要采用CPCI總線接口。本設(shè)計采用DSP結(jié)合FPGA的方式。這種方式最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)靈活，有較強的通用性，適合模塊化設(shè)計，并能夠提高效率，同時，其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)容易維護和擴展，所以，這種結(jié)構(gòu)目前比較流行。圖1是該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。





1.2 系統(tǒng)功能

        此信號處理板的體系結(jié)構(gòu)可以概括為三個處理陣列、兩條板級接口總線和一條板內(nèi)總線。三個處理陣列指的是GA3816處理陣列、DSP處理陣列和FPGA處理陣列。兩條板級接口總線是指CP-CI總線和用戶自定義總線。一條板內(nèi)總線是指DSP總線。

        用戶自定義總線可由兩個DSP處理器的兩個鏈路口和一組由FPGA引出的備份信號線構(gòu)成，包括時鐘線、控制線和數(shù)據(jù)線。該總線可以針對不同應(yīng)用環(huán)境，由用戶自己根據(jù)需要加以定義。DSP和FPGA通過自定義總線與外部系統(tǒng)進行通信，而DSP通過鏈路口可以與外部系統(tǒng)實現(xiàn)程序加載以及數(shù)據(jù)互傳，F(xiàn)PGA則通過備份信號線實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

        DSP總線主要是為DSP處理陣列提供一條內(nèi)部互聯(lián)和與FPGA處理陣列互聯(lián)的通道。通過這條總線，DSP1和DSP2可以相互共享存儲空間，并且二者可通過此總線共享板上的FLASH存儲器和SDRAM，并分別將二者作為自己的程序存儲器和內(nèi)存擴展。系統(tǒng)復(fù)位后，DSP通過FLASH進行程序加載。 

       目前，PCI總線接口的設(shè)計有兩種方法，一種是利用專用的PCI接口芯片來設(shè)計。另一種是利用FPGA可編程器件進行設(shè)計。由于用FPGA比較復(fù)雜，開發(fā)難度較大。為此，本系統(tǒng)將PCI控制器軟核嵌入到FPGA中，從而控制本板對外的CPCI總線。本板則通過CPCI總線或自定義總線接收待處理的數(shù)據(jù)，并在FPGA巾對將待處理數(shù)據(jù)分配給GA3816處理通道和DSP處理通道。當(dāng)這兩個處理通道的處理結(jié)果反送到FPGA后，義在FP-GA中進行數(shù)據(jù)交換或者通過CPCI總線作為本板級處理器的輸出。此外，兩片F(xiàn)PGA中也有大量的硬件資源，可以針對不同應(yīng)用場合，通過固件編程使其成為專用處理器，或組成FPGA處理陣列。而兩個FPGA器件之間的64位雙向信號線則可以使兩個FPGA器件之間的數(shù)據(jù)傳輸更為方便和快捷。

        系統(tǒng)中的兩個RAM器件可分別直接和兩個FPGA器件進行通信，并可通過FPGA分別作為兩個GA3816處理陣列的片外存儲器，也可作為板上的程序或者數(shù)據(jù)緩存。因為對于一般的運算來說，GA3816的處理速度要高于TS201的處理速度(對于1024點的復(fù)數(shù)FFT運算來說，GA3816的速度為12.8μs，而主頻為300 MHz的TS201則為32.78μs)，所以在系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能中，如果GA3816芯片可以實現(xiàn)就直接用它來實現(xiàn)(如FFT、FIR等)，GA3816不能實現(xiàn)的功能則可根據(jù)需要在TS201和FPGA中編程實現(xiàn)。在FPGA中對GA3816芯片進行配置可以實現(xiàn)GA3816的不同處理功能以及運算模式，從而滿足不同應(yīng)用場合中GA3816芯片的不同數(shù)據(jù)處理功能。

1.3 時鐘模塊

        ADSP TS201S的系統(tǒng)輸入時鐘SCLK同時也是TS201S的外部接口時鐘，為與外部器件兼容，SCLK不應(yīng)取得太高。一般可取內(nèi)核時fCCLK為fSCLK與SCLKRAT的積，P-BUS的工作時鐘fSOCCLK為fCCLK／2，鏈路口時鐘fLxCLK為fCCLK／CR(CR為LCTLxREGlSTER的設(shè)置值)，若SPD位設(shè)置為100，則取fLxCLK=fCCLK／4。這樣，將時鐘信號再經(jīng)過時鐘驅(qū)動后分別送入兩個FPGA，再由FPGA的鎖相環(huán)進行倍頻或者分頻就可得到DSP、SDRAM、GA3816和RAM所需要的時鐘信號。

        GA3816和RAM的時鐘信號可由FPGA直接提供，DSP和SDRAM的時鐘信號則由FPGA提供的時鐘通過一個時鐘驅(qū)動器來供給。設(shè)計時應(yīng)盡可能的使時鐘線等長的到達器件，這樣可以減少時鐘偏移，從而使DSP和SDRAM之間能夠更好的通信。因為時鐘信號是非常敏感的信號，所以要盡量的減少反射和串?dāng)_。在時鐘信號線上串接適當(dāng)?shù)钠ヅ潆娮杩梢杂行У臏p少反射，而減少串?dāng)_則需要在時鐘走線周圍留出額外的空間，或者把時鐘線單獨放在兩個地平面層中間的一層，這樣可以使時鐘的信號完整性得到有效的改善。

1.4 電源模塊

        stratix和GA3816的核電源電壓分別為1.5 V和1.8 V，3.3 V為I／O電源，ADSP-TS201S的三種電源如表1所列。本設(shè)計中所需的四種電壓都是從外部輸入的5 V電源轉(zhuǎn)換而成的，轉(zhuǎn)換芯片選用TI公司的TPS54350器件。





       由于電源層無法單獨消除線路噪音，所以通常需要借助旁路電容來進行濾波。一般情況下，將1～10μF電容放置在電路板的電源輸入端可濾除板外產(chǎn)生的低頻信號；而將0.01～0.1μF電容放置在電路板的每個有源器件的電源引腳和接地引腳上，則可濾除電路板上有源器件產(chǎn)生的高頻率的噪聲諧波。但是，任何一種電容的濾波頻率范圍都是有限的，所以通常采用大小電容并聯(lián)的方式來擴展其有效的濾波頻率范圍。

1.5 復(fù)位模塊

        ADSP TS201S的復(fù)位信號較ADSP TS101S更簡單，它可以采用較簡單的上電復(fù)位方式，即要求電源正常后保持RST_IN為低2 ms以上，并在RST_IN有效之前使SCLK運行2 ms。上電復(fù)位相對于正常復(fù)位來說要復(fù)雜一些。在FPGA中實現(xiàn)TS201的復(fù)位和時序控制，可使TS201正常工作。圖2為TS201上電復(fù)位穩(wěn)定后的仿真波形。圖中，sclk為8 MHz時鐘(由TS201的SCLK時鐘分頻得到)，rst為正常復(fù)位信號，power為上電復(fù)位信號，enable為復(fù)位后系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出信號，reset為TS200的復(fù)位輸出信號。

2 調(diào)試結(jié)果

        圖3為調(diào)試過程中通過邏輯分析儀采集到的TS201向FPGA內(nèi)部雙口RAM寫數(shù)據(jù)時的波形圖，采用雙口RAM是由于雷達信號總是以幀的方式進行處理，在處理第一幀的數(shù)據(jù)時，輸出前一幀的數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)訪問方式可避免發(fā)生沖突。為了能夠正確的讀寫雙口RAM，這里的DSP訪問雙口RAM采用的是慢速協(xié)議，即當(dāng)內(nèi)部RAM的片選信號和TS201的寫信號都為低時，將TS201內(nèi)部的數(shù)據(jù)正確的寫入到FPGA的內(nèi)部雙口RAM里。由于測試針的數(shù)目有限，所以，圖中只顯示了TS201的低8位地址線和低9位數(shù)據(jù)線，而RAM則只顯示了低8位的數(shù)據(jù)線。




3 結(jié)束語

        本文介紹了基于TS201的高速信號處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計以及實現(xiàn)方法，著重考慮了系統(tǒng)的高速、實時和通用性，同時充分發(fā)揮了GA3816處理器的優(yōu)勢。由于結(jié)合了DSP和FPGA的強大可編程和處理能力，因此，該信號處理系統(tǒng)能夠廣泛的應(yīng)用于語音及圖像處理、通信、雷達、導(dǎo)航、電子對抗等信號處理領(lǐng)域。