基于CPCI總線和TS201的通用雷達(dá)信號(hào)處理板設(shè)計(jì)

摘 要：在介紹ADI公司TigerSharc系列處理器ADSP—TS201和PLX公司PCI9656這兩款芯片，詳細(xì)闡述處理板的整體結(jié)構(gòu)和DSP與PCI9656的接口電路設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，提出一種ADSP—TS201基于橋芯片PCI9656實(shí)現(xiàn)與CPCI總線通信的雷達(dá)信號(hào)處理板的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)RocketIO到DSP數(shù)據(jù)的高速傳輸，它克服了傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)處理板通用性差的缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：CPCI總線；DSP；橋芯片；鏈路口

0 引 言
    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)由于專用性強(qiáng)，兼容性差，影響了系統(tǒng)的通用性和其擴(kuò)展能力，不能滿足現(xiàn)代雷達(dá)實(shí)時(shí)高速的信號(hào)處理需求。設(shè)計(jì)通用并行信號(hào)處理系統(tǒng)己經(jīng)成為高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理發(fā)展的必然趨勢(shì)，而基于CPCI總線的多DSP信號(hào)處理模板設(shè)計(jì)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)通用性和擴(kuò)展能力差提出一種ADSP—TS201基于PCI9656橋芯片實(shí)現(xiàn)與CPCI總線通信的高速、通用性強(qiáng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，并介紹一種DSP與PCI9656的接口電路設(shè)計(jì)。

1 器件介紹
1．1 ADSP—TS201
    ADSP—TS201是ADI公司TigerSHARC系列中集成了定點(diǎn)和浮點(diǎn)計(jì)算功能的高速DSP。ADSP—TS201內(nèi)部4條相互獨(dú)立的128位寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，每條連接6個(gè)2 Mb內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)塊中的一個(gè)，提供各自數(shù)據(jù)、指令集I／O訪問和28 GB／s的內(nèi)部存儲(chǔ)器寬帶；處理器內(nèi)核最高可工作在600 MHz，單周期能執(zhí)行4條指令，每秒能進(jìn)行3．4億次乘累加和2．8億次浮點(diǎn)操作，是面向通信和視頻領(lǐng)域的高端DSP。ADSP—TS201有14通道的DMA控制器；4個(gè)鏈路口可用于與其他DSP進(jìn)行無縫聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)高速度高數(shù)據(jù)吞吐率。鏈路口可以4位并行方式傳輸，也可以編碼為1位傳輸方式。通常以4位并行方式傳輸，當(dāng)處理器核工作在500 MHz時(shí)，鏈路口也可工作在500 MHz，每個(gè)鏈路口的雙向數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)1 000 MB／s，4個(gè)鏈路口合起來數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)4 GB／s；集成SDRAM控制器最大支持256 M×32 b的內(nèi)存容量，方便與外部SDRAM連接。ADSP—TS201適合對(duì)大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用領(lǐng)域。TigerSHARC系列的DSP接口豐富，外部設(shè)備接口包括SDRAM控制器、EPRoM接口、主機(jī)接口、多處理器接口；其引導(dǎo)程序的加載方法也非常靈活，可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要靈活選用。
1．2 PCI9656
    PCI9656是PLX公司推出的與PCI9054相兼容的、能提供混合高性能PCI總線的接口控制芯片，采用了業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)流水線架構(gòu)技術(shù)，符合PCI V2．2規(guī)范。PCI9656的工作狀態(tài)包括以下兩個(gè)方面：工作方式和局部總線操作模式。PCI9656的工作方式包括直接主模式、直接從模式和DMA模式，它的局部總線操作模式有M模式、C模式和J模式。它具有64位數(shù)據(jù)線66 MHz時(shí)鐘的PCI總線接口和32位數(shù)據(jù)總線66 MHz時(shí)鐘的Loeal端接口；配有的DMA引擎可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸；具有PCI優(yōu)先判決器，支持7個(gè)外部主控制器；可以通過消息管理I／O，提供兩種方式選擇，一是通過郵箱寄存器和門鈴寄存器；二是通過所提供的I2O接口。它有64 b／66 MHz PCI性能，符合PCIV2．2規(guī)范，采用數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)者可以將芯片32 b，66 MHz局部總線與各類高速設(shè)備，如DSP、存儲(chǔ)器、自定義ASIC和FPGA連接，通過PCI9656數(shù)據(jù)流水架構(gòu)使其局部端連接設(shè)備具有64 b／66 MHz的PCII／O性能。

2 系統(tǒng)工作原理
    信號(hào)處理板上DSP的工作與主機(jī)相對(duì)獨(dú)立，主機(jī)通過CPCI總線給信號(hào)處理板傳送加載程序和一些控制信息，并監(jiān)控信號(hào)處理板。采集數(shù)據(jù)通過4路全雙工Rocket_IO口發(fā)送給信號(hào)處理板。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 DSP的電路設(shè)計(jì)
    信號(hào)處理板中DSP對(duì)來自板外的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、相參積累和脈沖壓縮。4片DSP之間采用鏈路口方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。DSP采用主機(jī)與EPROM方式引導(dǎo)和加載程序，先通過FLASH將加載程序?qū)隓SPl，然后用主機(jī)引導(dǎo)方式將傳入DSP1內(nèi)的加載程序依次傳輸給其他3片DSP。由于DSP有專用的SDRAM尋址空間和外圍接口，DSP與SDRAM之間能實(shí)現(xiàn)無縫連接。該設(shè)計(jì)中每片DSP外掛1片256 Mb的SDRAM，保證了DSP足夠的存儲(chǔ)空間。
2．2 PCI9656與DSP連接設(shè)計(jì)
    由于PCI9656與DSP接口不兼容，所以用邏輯轉(zhuǎn)換器件FPGAl實(shí)現(xiàn)它們之間的連接。FPGAl中設(shè)計(jì)有一個(gè)能與ADSP—TS201S直接通信的主機(jī)接口模塊，將ADSP-TS201S主機(jī)接口與FPGAl內(nèi)的主機(jī)接口直接相連。PCI9656通過FPGAl內(nèi)主機(jī)接口間接訪問ADSP—TS201S。FPGAl中設(shè)計(jì)16 K×32 b的雙口RAM，用于緩存PCI9656與DSP之間讀寫數(shù)據(jù)。FPGAl一端與4片DSP相連，另一端與PCI9656局部端相連。當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)DSP同時(shí)請(qǐng)求與PCI9656通信時(shí)，F(xiàn)PGAl內(nèi)DSP開關(guān)選擇模塊對(duì)其進(jìn)行仲裁。PCI9656根據(jù)主機(jī)的要求可以訪問任意一片DSP。PCI9656對(duì)信號(hào)處理板上4片SDRAM的訪問有2種方式。第一，通過DSP來間接的訪問SDRAM，DSP先將SDRAM中數(shù)據(jù)讀到其內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，然后PCI9656通過訪問DSP訪問SDRAM；第二，在FPGAl內(nèi)設(shè)計(jì)SDRAM控制器，通過FPGAl內(nèi)控制器直接訪問SDRAM。[!--empirenews.page--]
2．3 PCI9656與CPCI總線連接設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)中信號(hào)處理板是6U規(guī)格，可與J1至J5五個(gè)連接頭相連。J1是32位PCI總線，J2用于64位PCI總線或用戶自定義I／O口；J3，J4和J5是用戶自定義I／O口。為了保證信號(hào)處理板的通用性和可擴(kuò)展性，J1與J2連接頭作為64位數(shù)據(jù)寬度的CPCI總線。PCI9656一端與FPGAl相連另一端分別與兒和J2連接頭相連。需要注意的是PCI9656與CPCI連接的引腳必須插入10 Ω的匹配電阻，以降低對(duì)背板的干擾。
2．4 Rocket_IO與DSP的連接設(shè)計(jì)
    信號(hào)處理板通過全雙工Rocket_IO口接收板外的采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)1．25 Gb／s。FPGA2實(shí)現(xiàn)Rocket_IO與DSP的LinkPort之間的接口轉(zhuǎn)換，其一端連接4路Rocket_IO口相連另一端連接每片DSP的1路LinkPort，即4路鏈路口。
    DSP的每路鏈路口數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)，1 GB／s。FPGA2對(duì)．Rocket_IO口送入的數(shù)據(jù)整理后，利用鏈路口傳輸給相應(yīng)的DSP。任意一路LinkPort能與任意一路的Rocket_IO口通信，當(dāng)多路LinkPort爭(zhēng)用一路Rocket_IO口或多路Rocket_IO口爭(zhēng)用一路LinkPort時(shí)，F(xiàn)PGA2內(nèi)的總線開關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)它們之間的仲裁。設(shè)計(jì)中信號(hào)處理板可以選用任意用戶自定義IO口作為Rocket_IO通道。

3 PCI9656與DSP的接口設(shè)計(jì)
    PCI9656的局部端采用C模式，32位數(shù)據(jù)和32位地址線。PCI9656配置為直接從模式，即只有主機(jī)可以通過PCI9656申請(qǐng)局部端總線控制權(quán)訪問DSP。4片DSP與FPGAl連接方式相同，這里只給出1片DSP與PCI9656之間的接1：3邏輯轉(zhuǎn)換。DSP和PCI9656的連接如圖2所示。

    PCI9656對(duì)DSP的訪問通過FPGAl間接實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGAl內(nèi)設(shè)計(jì)有實(shí)現(xiàn)邏輯轉(zhuǎn)換的主機(jī)接口模塊、用于數(shù)據(jù)緩存的雙口RAM模塊和DSP開關(guān)選擇模塊。
3．1 PCI9656讀DSP
    (1)PCI9656使LHOLD變高申請(qǐng)局部總線控制權(quán)；FPGA檢測(cè)到后，立即使LHOLDA變高，告知PCI9656局部總線申請(qǐng)成功。PCI9656使ADS和一LW／R變低，然后發(fā)送主機(jī)地址；FPGAl依據(jù)高位地址譯碼生成DSP片選信號(hào)，根據(jù)LW／R將主機(jī)接口配置為讀方式，同時(shí)使PCI9656的READY信號(hào)無效。
    (2)FPGAl向相應(yīng)的DSP發(fā)HBR和RD申請(qǐng)總線控制權(quán)并請(qǐng)求讀數(shù)據(jù)；DSP檢測(cè)到HBR后返回HBG和ACK。FPGAl檢測(cè)ACK到信號(hào)后，接收數(shù)據(jù)并緩存至雙口RAM。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢時(shí)DSP使RD和ACK無效，撤銷HBG，F(xiàn)PGAl接著撤銷HBR。
    (3)FPGAl使READY有效，PCI9656檢測(cè)到該信號(hào)后，開始讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸完畢后FPGAl使READY無效并收回LHOLDA，PCI9656接著撤消LHOLD，此次讀操作結(jié)束。
3．2 PCI9656寫DSP
    (1)PCI9656使LHOLD變高申請(qǐng)局部總線控制權(quán)；FPGA檢測(cè)到后，立即回應(yīng)使LHOLDA變高告知PCI9656局部總線申請(qǐng)成功。PCI9656使ADS變低、LW／R變高，然后發(fā)送主機(jī)地址；FPGAl根據(jù)高位地址譯碼生成DSP片選信號(hào)，根據(jù)LW/R將主機(jī)接口配置為寫方式，同時(shí)使能PCI9656的READY。
    (2)PCI9656檢測(cè)到READY后，將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM。數(shù)據(jù)傳輸完畢后PCI9656使READY無效，收回LHOLD；FPGAl接著撤消LHOLDA。
    (3)FPGAl向相應(yīng)的DSP發(fā)出HBR和WRL申請(qǐng)總線控制權(quán)并請(qǐng)求對(duì)DSP寫數(shù)據(jù)操作，DSP檢測(cè)到信號(hào)返回HBG和ACK。FPGAl檢測(cè)到ACK信號(hào)后，開始將雙口RAM中的數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP。數(shù)據(jù)傳輸完畢后FPGA使WRL無效，撤銷HBR；DSP接著撤銷HBG和ACK。此次寫操作完成。

4 結(jié) 語
    提出的基于CPCI總線的高速通用雷達(dá)信號(hào)處理板設(shè)計(jì)，繼承了CPCI總線可靠、可擴(kuò)展、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。PCI9656橋芯片和FPGAl邏輯轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)板外主機(jī)對(duì)DSP的訪問。通過FPGA2將Rocket_IO口與DSP的LinkPort口互聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。