ADSP TS201鏈路口通信的FPGA實現(xiàn)

O 引 言
    隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)高速傳輸有著越來越高的要求，鏈路口為數(shù)據(jù)傳送提供了高速、獨立的通信機制，得到廣泛應(yīng)用。AD公司生產(chǎn)的TS201 DSP就具備這種端口。為了使不具備此接口的器件同樣也能通過鏈路口與TS201進(jìn)行高速通信，引入FPGA進(jìn)行設(shè)計。
    FPGA器件因其集成度高、功能強大、現(xiàn)場可編程等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種場合。通過在FPGA上參照鏈路口通信協(xié)議編寫VHDL程序，完成數(shù)據(jù)傳送方式的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)此接口與其他設(shè)備通信，以滿足系統(tǒng)的高速通信要求。
    本文設(shè)計了一種基于Xilinx公司Virtex4系列的FPGA的128位并行數(shù)據(jù)與ADSP TS201的鏈路口通信方式。

l ADSP TS20l鏈路口協(xié)議
    ADSP TS201有4個鏈路口均采用LVDS(Low
Voltage Differential Signaling)電路，每個鏈路口都是由4位雙向差分?jǐn)?shù)據(jù)線和另外3個控制信號構(gòu)成。接收控制信號包括：Lxclkinp／n，Lxacko，Lxbcmpi；發(fā)送控制信號包括：Lxclkoutp／n，Lxacki和Lxbcmpo。其中，Lxclkoutp／n和Lxclkinp／n用于描述輸出或輸入信號的時鐘，Lxacko和Lxacki則表示接收端發(fā)出的信號和發(fā)送端接收的信號表明是否可以繼續(xù)發(fā)送，Lxbcmpi和Lxbcmpo說明塊傳輸已經(jīng)完成。鏈路口每個方向(Rx或Tx)均可通過1位或4位數(shù)據(jù)總線通信，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)到外部設(shè)備，接收通端從外部設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。這里主要討論4位數(shù)據(jù)總線通信模式的具體實現(xiàn)。
    在鏈路口通訊協(xié)議的時序上采用一些通用規(guī)則，具體規(guī)則如下：
    ①第一個數(shù)據(jù)(1位或4位)必須在鏈路口時鐘(Lxclkoutp)的第一個上升沿發(fā)送。
    ②后一個數(shù)據(jù)(1位或4位)必須在鏈路口時鐘(Lxclkoutp)最后一個下降沿發(fā)送。
    ③當(dāng)鏈路口停止收發(fā)后Lxclkoutp被置為低。
    ④每次至少傳送4個字(128位)。傳送需要用16個名車略口周期，如圖1所示。

當(dāng)Lxacki被置為高，即接收緩沖是空的，發(fā)送通道被初始化，發(fā)送端可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2所示，第一個數(shù)據(jù)在第一個Lxclkoutp上升沿有效，最后一個數(shù)據(jù)在最后一個鏈路口時鐘下降沿之前發(fā)送。當(dāng)鏈路口停止時Lxclkoutp被置為低。
    圖3表示當(dāng)Lxacki被置為低時，說明接收端沒有準(zhǔn)備好接收更多數(shù)據(jù)的情況。此時若仍有數(shù)據(jù)傳送，則會造成數(shù)據(jù)的丟失。
    當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)長度可變時發(fā)送方用Lxbcmpo信號通告接收數(shù)據(jù)塊傳輸已完成。Lxbcmpo與接收端的Lxbcmpi輸入信號連接，當(dāng)接收端識別該信息，就通知DMA通道數(shù)據(jù)塊傳送完畢。
    Lxbcmpo信號通過在塊的最后4個字傳輸?shù)牡谝粋€Lxclkout上升沿變低，指示塊傳輸完成。而在同一4個字的最后一個Lxclkout下降沿置位。若LTCTLx寄存器中的TBCMPE位被清除或當(dāng)鏈路口傳輸由處理器核執(zhí)行，Lxbcmpo無效。

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2 模塊建立與優(yōu)化
    ADSP TS201的鏈路口采用的是獨立的發(fā)送和接收通道，因此對應(yīng)的FPGA也需要采用不同的接收電路和發(fā)送電路。
    無論是接收還是發(fā)送均由兩部分組成：接收／發(fā)送緩沖和接收／發(fā)送模塊。接收模塊主要是用于接口和數(shù)據(jù)的拆包處理，發(fā)送模塊是用于數(shù)據(jù)接收和打包處理。接收／發(fā)送緩沖則是用來分別配合接收／發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。
2．1 接收電路
    接收模塊：接收到由鏈路口4位數(shù)據(jù)總線送出的數(shù)據(jù)差分信號Lxdatap／n和控制差分信號Lxclk p／n以后不能直接拆包處理，需要將原來的差分信號轉(zhuǎn)換成完整信號、Lxdata和Lxclk，才可進(jìn)入雙倍數(shù)據(jù)速率器(DDR)寄存，此寄存器由時鐘信號clkin(與Lxclk同頻率)控制。由于是4位數(shù)據(jù)總線同時串行傳送數(shù)據(jù)，其具體的數(shù)據(jù)排序如圖4所示。

可見，每一路傳送的數(shù)據(jù)均不是連續(xù)的，且都按模4余數(shù)分配。為了方便數(shù)據(jù)并行送出，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包整理。每個clkin周期收到8位數(shù)據(jù)，將此按位號由大到小的順序整理，并放入mid(7：O)中。其間增加一級觸發(fā)器作為緩沖。
    接收緩沖：此部分主要由狀態(tài)機和FIFO構(gòu)成，其中狀態(tài)機主要控制FIFO寫命令的產(chǎn)生，由鏈路口時鐘Lxclk和時鐘信號clkin共同產(chǎn)生，即當(dāng)Lxclk產(chǎn)生第一個上升沿時計數(shù)器開始計數(shù)從O～15，每次計數(shù)就會將相應(yīng)的FIFO寫許可we d置為有效。將128位數(shù)據(jù)每8位為一組，分別送入16個8位F1FO中，由外部的FIFO_oe讀信號和sysclk時鐘信號控制128位數(shù)據(jù)并行讀出。即將FIFO_oe信號同時接到16個FIFO上，當(dāng)FIFO_oe有效時，從16個FIFO中同時讀出數(shù)據(jù)。并根據(jù)FIFO存儲狀態(tài)發(fā)送Lxacko信號和fuiIflag信號，若FIF0不滿則將Lxacko信號置為1(高有效)允許發(fā)送端繼續(xù)通過鏈路口發(fā)送數(shù)據(jù)；否則Lxacko置為O。
    其中，F(xiàn)IFO 8由Core generator直接生成，是異步8位先進(jìn)先出存儲器。下面涉及的FIFO 16，F(xiàn)IFO 32均這樣生成。接收(Rx)流程圖如圖5所示。

綜合后此電路的主時鐘Clkin頻率最快可達(dá)到368 MHz。由于一個FIFO 8就占用了一個18 Kb的嵌入式FIFO資源，而16個FIFO就占據(jù)了16個塊的資源，這不僅造成了資源的浪費，還增加了布局布線所需要的時間。因此，為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增加一級寄存器，擴展數(shù)據(jù)的位數(shù)，使得數(shù)據(jù)在未進(jìn)入FIFO前就已得到處理，由原來的8位數(shù)據(jù)mid連成16位數(shù)據(jù)Data，再送入16位的FIFO 16中。優(yōu)化后，F(xiàn)IFO 16的使用率由原來的22％減少到11%，大大減少了線上延遲。綜合此電路的主時鐘clkin頻率最高可實現(xiàn)500 MHz。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2．2 發(fā)送電路[!--empirenews.page--]
    發(fā)送模塊：當(dāng)外部接收到128位并行數(shù)據(jù)Datain(127：0)及FIFO寫控制信號Datan_we后，將數(shù)據(jù)按以下規(guī)則重新組合排序：

 數(shù)據(jù)整理后，同時送入4個32位FIFO 32中，寫時鐘為sysclk。當(dāng)FIFO 32不為空且Lxacki信號為高電平時，接收端允許傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由FIFO 32中讀出，分別放入4個32位寄存器中，準(zhǔn)備發(fā)送。
    發(fā)送緩沖：此部分由狀態(tài)機和雙數(shù)據(jù)率(DDR)寄存器組成。當(dāng)發(fā)送條件成立，數(shù)據(jù)放入寄存器后，由state信號控制寄存器，每個Txclk周期從4個寄存器中各讀出2位數(shù)據(jù)Data_tx(7：O)共8位，為了滿足鏈路口通信協(xié)議，發(fā)送出的數(shù)據(jù)應(yīng)如圖4所示。因此，將Data_tx兩兩分組(0和4，1和5，2和6，3和7)，4對數(shù)據(jù)分別由4個雙數(shù)據(jù)率(DDR)寄存器經(jīng)差分轉(zhuǎn)換送出，根據(jù)協(xié)議同時送出相應(yīng)的時鐘控制信號Lxclk p／n(與Tkclk相同頻率)。按照協(xié)議，Lxclk的第一個上升沿必須在第一位數(shù)據(jù)傳送中建立，因此，這里引入時鐘信號Txclk90(Txclk相移90°)，用來控制Lxelk p／n信號。數(shù)據(jù)傳送結(jié)束前的最后一個時鐘周期內(nèi)將Lxbcompo信號置低(低有效)。發(fā)送(Tx)流程如圖7所示。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

 綜合后此電路的主時鐘Txclk頻率最快可達(dá)到280 MHz。分析后發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)制約速度的瓶頸為高頻計數(shù)器，此計數(shù)器產(chǎn)生控制信號。因此，為了提高速度優(yōu)化結(jié)構(gòu)。將此計數(shù)器改為原時鐘的二分頻信號clkd2控制計數(shù)。此時每當(dāng)clkd2上升沿從FIFO 32讀出32位數(shù)據(jù)放入寄存器，該寄存器同樣由clkd2控制，時鐘的上升沿來到時讀出4位數(shù)據(jù)，組成連續(xù)的16位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過子模塊fast的處理，按照鏈路口協(xié)議要求輸出數(shù)據(jù)dataout。綜合后此電路的主時鐘Txclk頻率最快可達(dá)到400 MHz。
    子模塊fast的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

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子模塊fast控制模塊是由clk，clknot，clkd2和clkd2not四個時鐘組合生成，產(chǎn)生muxO和muxl兩個控制信號。當(dāng)mux0=0時Datainn(3：O)輸出到DataO，反之，當(dāng)muxO=1時Datainn(11：8)輸出到Data0；同樣，當(dāng)muxl=0時Datainn(7：4)輸出到Datal，反之，當(dāng)muxl=0時，Datainn(15：12)輸出到Datal。
    為了提高速度，保證高頻率下程序的穩(wěn)定性，使用rloc命令，通過對。fast模塊各個觸發(fā)器屬性描述及對底層基本邏輯單元的相對位置進(jìn)行約束，使得同一組數(shù)據(jù)的觸發(fā)器放置相對集中，從而減少了由于時鐘信號在布局布線中產(chǎn)生延遲使得數(shù)據(jù)建立時間不足而引起的不定態(tài)。

3 實現(xiàn)與仿真
    ModelSim是一個獨立的仿真工具，在Xilinx公司的ISE集成開發(fā)環(huán)境中給ModelSim仿真軟件預(yù)留了接口，通過這個接口可以從ISE集成工具中直接啟動ModelSim工具進(jìn)行仿真。由于廠家的推廣，ModelSim得到了廣泛的應(yīng)用。
    仿真也可分為功能仿真和時序仿真等3大類型。由于特殊底層元件的使用，需要一些器件庫模型的支持。而綜合后門級功能仿真以及實現(xiàn)后時序仿真都需要廠家器件庫的支持。
    因此，在使用ModelSim 6．2進(jìn)行功能級仿真和布局布線后仿真時，應(yīng)根據(jù)需要提前對Xilinx的UN ISIM，XmnxCoreLib，SIMPRIM，SmartModel庫進(jìn)行編譯。其中，UNISIM庫包含了Xilinx公司全部的標(biāo)準(zhǔn)元件；XilinxCoreLib則包含了使用Xilinx CoreGenerator工具生成的IP的仿真模型；SIMPRIM庫用來做時序仿真或者門及功能仿真；SmartModel庫用來模擬復(fù)雜的FPGA設(shè)計。
首先按如下步驟完成對XX的編譯：
    (1)將ModelSim根目錄下的modelsim．ini文件的屬性設(shè)置為存檔；
    (2)在ModelSim的命令窗口中輸入命令：“compxlib—s mti_se-arch all—l vhdl—w—lib all”；
    (3)將ModelSim．ini文件的屬性重新設(shè)置為只讀。
    環(huán)境建立好以后，首先對程序進(jìn)行功能級仿真，驗證功能是否達(dá)到要求；功能仿真正確后再進(jìn)行布局布線后仿真，根據(jù)布局布線仿真的情況再對程序進(jìn)行分析，調(diào)整或者修改原先的設(shè)計，以滿足設(shè)計要求。
    發(fā)送：此波形顯示將128位數(shù)據(jù)Data0轉(zhuǎn)換成鏈路口的傳送協(xié)議送出，如圖10所示。
    接收：此波形表示有TS201鏈路口接收到一組數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO_oe(即FIFO讀信號)為高時將數(shù)據(jù)并行送出，如圖11所示。

 結(jié) 語
    本文介紹了一種利用VHDL語言在FPGA上實現(xiàn)鏈路口通信的方法，實現(xiàn)FPGA與ADSP TS201之間的高速鏈路口通信。設(shè)計最終能達(dá)到的接收鏈路時鐘頻率為500 MHz，發(fā)送鏈路時鐘頻率為400 MHz，充分發(fā)揮了鏈路口通信的速度優(yōu)勢。也使得ADSPTS201通過具有此功能的FPGA與其他并行接口器件或設(shè)備進(jìn)行高速通信成為可能。