基于TMS320C6455的高速SRIO接口設(shè)計

引 言

        數(shù)字信號處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、聲納、遙感、圖形圖像處理和語音處理等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體工藝的進(jìn)入深亞微米時代，新的功能強(qiáng)勁的高性能數(shù)字信號處理器(DSP)也相繼推出，如ADI（美國模擬器件）公司的TigerSHARC系列和TI（德州儀器）公司的C6000系列，但是，要實現(xiàn)對運(yùn)算量和實時性要求越來越高的DSP 算法，如對基于分?jǐn)?shù)階傅立葉變換的Chirp信號檢測與估計，合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像，高頻地波雷達(dá)中的自適應(yīng)濾波和自適應(yīng)波束形成等算法，單片 DSP 仍然顯得力不從心。這些挑戰(zhàn)主要涉及兩個主題：一是計算能力，指設(shè)備、板卡和系統(tǒng)中分別可用的處理資源。采用多DSP、多FPGA系統(tǒng)，將是提高運(yùn)算能力的一個有效途徑。二是連接性，從本質(zhì)上說就是實現(xiàn)不同設(shè)備、板卡和系統(tǒng)之間的“快速”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。對于一些復(fù)雜的信息系統(tǒng)，對海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性提出了苛刻的要求，多DSP之間、DSP與高速AD采集系統(tǒng)、DSP與FPGA間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是影響信號處理流程的主要瓶頸之一。TI公司最新推出的高性能 TMS320C6455（下文稱C6455）處理器，具有高速運(yùn)算能力的同時集成了高速串行接口SRIO，方便多DSP以及DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸，在一定程度上滿足了高速實時處理和傳輸?shù)囊?。本文在多DSP+FPGA通用信號處理平臺的基礎(chǔ)上，深入研究了多DSP間，DSP與FPGA間的SRIO的數(shù)據(jù)通信和加載技術(shù)的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)。這些技術(shù)包括了目前SRIO接口的各種應(yīng)用方式，可作為SRIO接口及C6455開發(fā)提供參考[1-3]。

1 C6455特性及SRIO標(biāo)準(zhǔn)介紹

        C6455是目前單片處理能力最強(qiáng)的新型高性能定點DSP，它是TI 公司基于第三代先進(jìn)VeloviTI VLIW(超長指令字)結(jié)構(gòu)開發(fā)出來的新產(chǎn)品。最高主頻為1.2GHz，16位定點處理能力為9600MMAC/s。C6455建立在增強(qiáng)型C64x+ DSP內(nèi)核基礎(chǔ)之上，代碼尺寸平均縮短了20%至30%，周期效率提高了20%。C6455不僅是內(nèi)核的增強(qiáng)和運(yùn)算速度的提升，相比以前的芯片，集成了豐富的外圍接口，如千兆以太網(wǎng)控制器，66 MHz PCI總線接口，最重要的是增加了新的外設(shè)接口SRIO，全雙工工作時，四個端口峰值速率每秒高達(dá)25 Gbits，解決了DSP高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，降低了開發(fā)多處理器系統(tǒng)的難度[4-5]。

         RapidIO是新一代高速互連技術(shù)，已于2004年被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工協(xié)會(IEC)批準(zhǔn)為ISO/IEC DIS 18372標(biāo)準(zhǔn)。RapidIO互連定義包括兩類技術(shù)：面向高性能微處理器及系統(tǒng)互連的Parallel RapidIO接口；面向串行背板、DSP和相關(guān)串行控制平面應(yīng)用的Serial RapidIO接口。SRIO支持編程模型包括基本存儲器映射IO事務(wù)、基于端口的消息傳遞和基于硬件一致性的全局共享分布式處理器。

        SRIO互連架構(gòu)是一個開放的標(biāo)準(zhǔn)，滿足了嵌入式基礎(chǔ)實施在應(yīng)用方面的廣泛需要。可行的應(yīng)用包括多處理器、存儲器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的存儲器映射I/O器件、存儲子系統(tǒng)和通用計算平臺。這一互連技術(shù)主要作為系統(tǒng)內(nèi)部互連，支持芯片到芯片和板到板的通信，可以實現(xiàn)從1Gbps到60Gbps的性能水平，在高速互連方面將會有廣闊的發(fā)展前景[6]。
2 C6455間的SRIO通信

2.1 C6455間的接口互連

       C6455內(nèi)嵌了SRIO模塊，擁有4個全雙工的port（端口），支持SRIO 1x/4x串行協(xié)議。每個port支持1.25Gbps、2.5Gbps、3.125Gbps的波特率，每個port可以單獨(dú)構(gòu)成1x模式，也可以四個 port共同構(gòu)成4x模式。SRIO采用的是CML（電流型邏輯）電平，布線時必須遵循布線約束。為了最小化來自接收方100歐終端電阻的反射，差分對應(yīng)該具有50歐的阻抗，并且差分走線必須等長。在接收端串接耦合電容，隔離直流偏置。圖1是兩片C6455之間SRIO接口設(shè)計。

2.2 包格式

        SRIO的傳輸操作是基于請求和響應(yīng)機(jī)制，包（packet）是系統(tǒng)中端點器件的通信單元。圖2是一次傳輸操作的流程圖。首先由發(fā)起者產(chǎn)生一個傳輸請求，請求包被傳輸?shù)较噜彽慕粨Q器件，從而進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)，通過交換機(jī)構(gòu)這個完整的請求包被轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)器件。目標(biāo)器件根據(jù)請求完成相應(yīng)操作后，發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)包，經(jīng)過交換機(jī)構(gòu)傳回到發(fā)起者。此時一個完整的傳輸過程完成。

        SRIO有三個層的協(xié)議共同組成，每層協(xié)議在包中都有體現(xiàn)。圖3給出典型的請求包和響應(yīng)包的包格式示意圖。[!--empirenews.page--]

        請求包以物理層字段開始。S位指示這是一個包還是一個控制符號，AckID表明交換結(jié)構(gòu)器件將使用控制符號來確認(rèn)哪一個包，Prio字段指示用于流量控制的包優(yōu)先級，TT為目標(biāo)地址和源地址字段指示傳輸?shù)刂返臋C(jī)制類型、報應(yīng)被遞送到的器件的地址和產(chǎn)生包的器件的地址，F(xiàn)type表示正被請求的事務(wù)，長度字段等于編碼后事務(wù)的長度，SRIO事務(wù)數(shù)據(jù)的有效載荷長度從1到256字節(jié)不等，源事務(wù)ID指示發(fā)送器件的事務(wù)ID，SRIO器件在兩個端點器件間最多允許256個未完成的事務(wù)。對于存儲器映射事務(wù)，跟隨在源事務(wù)ID后面的是器件偏移地址字段，用于指示數(shù)據(jù)的存放地址，CRC為校驗碼。

        響應(yīng)包與請求包類似，狀態(tài)字段指示是否成功完成了事務(wù)，目標(biāo)事務(wù)ID字段的值與請求包中斷事務(wù)ID字段的值相等。

2.3 SRIO基本讀寫和門鈴操作

        根據(jù)包的格式的不同，將事務(wù)劃分成很多類型，其中最重要的類型有三種：NREAD(基本讀操作)、NWRITE(基本寫操作)、DOORBELL(門鈴操作)。 通過這三種類型的組合就可以完成所有的存儲器讀寫操作。在介紹讀寫操作之前，先介紹一下與SRIO有關(guān)的DMA操作。

        在C6455上，SRIO數(shù)據(jù)傳輸和DMA傳輸是結(jié)合的。此DMA與EDMA方式是獨(dú)立的，當(dāng)進(jìn)行SRIO傳輸時，DMA以自動方式啟動。對與發(fā)送方來說，DMA將數(shù)據(jù)從L2 SRAM搬移到SRIO端口，對于接收方來說，DMA將數(shù)據(jù)從SRIO端口搬移到L2 SRAM內(nèi)存。因此，在進(jìn)行傳輸時，讀寫地址是直接顯示在包里的，而且此地址就是被讀寫的DSP的地址。換句話說，DSP可以對另一片DSP的L2 SRAM直接進(jìn)行讀寫操作。圖4就是自動DMA的傳輸操作。

        讀寫操作和門鈴操作主要由圖5中的7個寄存器進(jìn)行控制，這些寄存器里的值會自動加入到包中。在SRIO總線上，每個SRIO設(shè)備都有一個相應(yīng)的設(shè)備地址，設(shè)備地址好比一個SRIO設(shè)備的ID，用于區(qū)別不同的SRIO設(shè)備。當(dāng)SRIO總線上的一個SRIO設(shè)備進(jìn)行讀寫訪問時，它發(fā)送的包就含有設(shè)備地址，只有自身設(shè)備地址與包的設(shè)備地址符合的SRIO設(shè)備才會對此次傳輸做出響應(yīng)。SRIO Address MSB和SRIO Address LSB共同構(gòu)成64-bit尋址，指示的是被訪問SRIO設(shè)備的地址。開發(fā)板上只用到32-bit尋址，因此，SRIO Address MSB為0，SRIO Address LSB指示的是被訪問的DSP的地址。DSP address指示的是本地DSP的地址。Byte_count這一項給出的是傳輸字節(jié)數(shù)，一次讀寫操作(可以是很多包)最多可以傳送4Kbytes的數(shù)據(jù)。DestID是目標(biāo)設(shè)備的ID號，用來區(qū)分SRIO總線上的設(shè)備。Drbll Info用于門鈴事件，通過此位段的設(shè)置，從而向目標(biāo)DSP產(chǎn)生中斷。Packet Type用來指示此次傳輸?shù)念愋?，例如NREAD、NWRITE和DOORBELL等。

         圖6是SRIO模塊的NREAD、NWRITE和DOORBELL程序編寫流程圖。首先初始化SRIO端口，此過程主要需要配置和使能PLL模塊，使能并配置接收模塊，使能并配置發(fā)送模塊，使能并配置中斷模塊。配置這些模塊特別要注意的是使主DSP和從DSP的時鐘模塊工作在相同的波特率。初始化完成后，查詢SRIO鏈路是否成功建立，如果SRIO鏈路沒有建立，則重新初始化SRIO端口，直到SRIO鏈路建立為止。鏈路建立后就可以進(jìn)行讀寫操作和門鈴操作，兩片DSP之間可以進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。實際測試表明，DSP間的數(shù)據(jù)傳輸可工作于1x和4x模式，每種模式可以正常工作于每通道3.125Gbps 的傳輸速率。

3 C6455間的SRIO加載

3.1 C6455引導(dǎo)模式

        在C6455的地址空間0x00100000到0x00107FFF集成了32K的內(nèi)部ROM。此ROM中固化了一段 “boot loader”的引導(dǎo)代碼，它主要作用是在DSP上電時，對DSP進(jìn)行必要的配置，以便輔助HPI/PCI/SRIO等接口進(jìn)行加載；另外，它還可以將代碼從外部存儲器讀到內(nèi)部L2 SRAM，以完成代碼加載。[!--empirenews.page--]

        C6455復(fù)位和上電時的引導(dǎo)模式主要有：NO BOOT模式，主機(jī)引導(dǎo)模式，F(xiàn)LASH引導(dǎo)模式，主I2C引導(dǎo)模式，從I2C引導(dǎo)模式，SRIO引導(dǎo)模式。C6455的EMIFA端口引腳EMIFA [0：19]和ABA[1：0]被復(fù)用作配置引腳，和專用引腳PCI_EN一起構(gòu)成C6455的硬件配置引腳。采用哪種引導(dǎo)模式，由復(fù)位或上電時采樣管腳 BOOTMOOD[3:0]來決定[7-9]。表1是引導(dǎo)模式選擇方式。

        對被加載的從DSP來說，設(shè)置BOOTMOOD[3:0]=1x00，此時為SRIO引導(dǎo)模式，SRIO被配置成四個1x端口，由port0對從DSP進(jìn)行加載。另外，差分晶振選擇125M的時鐘源。上電后，固化在從DSP內(nèi)部ROM的“boot loader”對從DSP進(jìn)行一些必要的初始化配置：
使能全局中斷，SRIO的中斷管腳被使能，使從 DSP可以接收來自主DSP的中斷；

       boot loader配置PLL1模塊為15倍頻，也就是使內(nèi)核工作在750MHz；

       boot loader初始化從 DSP的SRIO端口，使SRIO的時鐘模塊配置成1.25G。

       主DSP對SRIO端口進(jìn)行初始化配置，并將時鐘模塊配置成1.25G。此時主DSP與從DSP之間互相發(fā)送同步信息，直到鏈路建立。鏈路成功建立以后，主DSP執(zhí)行NWRITE操作，將待加載程序裝載到L2 SRAM內(nèi)存中。代碼裝載完成后，執(zhí)行門鈴操作，向從DSP發(fā)送中斷，從DSP收到中斷后脫離“掛起”狀態(tài)，從地址0x800000處運(yùn)行程序，加載過程結(jié)束。圖7便是SRIO引導(dǎo)過程。實測表明，主DSP通過FLASH加載完成后，可通過SRIO接口對從DSP完成加載。

4 C6455與FPGA等構(gòu)建SRIO網(wǎng)絡(luò)

        SRIO與微處理器總線類似，它在硬件中完成存儲器和器件尋址以及分組處理，降低了用于I/O處理的開銷，減小了延遲。一個運(yùn)行于3.125 Gbps的4通道SRIO鏈路能在完全保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的前提下提供25 Gbps的流量，保障了海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。
SRIO網(wǎng)絡(luò)建立在兩個“基本模塊”基礎(chǔ)之上：端點設(shè)備(Endpoint)和交換設(shè)備(Switch)。有兩種連接方式，一種是簡單的端點到端點互聯(lián)，一種是端點到交換設(shè)備的互聯(lián)，端點設(shè)備負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)包，交換設(shè)備負(fù)責(zé)在端口之間傳遞數(shù)據(jù)包，但不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的解釋。通過Switch交換，可以構(gòu)建一個 CPU，DSP以及FPGA不同平臺互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，進(jìn)行共享式或分布式處理。圖8給出了SRIO網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建模塊。

        C6455具有很強(qiáng)的處理能力，但對于并行算法，采用FPGA可以達(dá)到更高的效率。本文以SRIO為橋接，設(shè)計了一個C6455和Xilinx Virtex-4 FPGA兩者相結(jié)合的處理平臺，C6455和Virtex-4都有豐富的接口，該平臺不但實現(xiàn)了C6455與Virtex-4之間的數(shù)據(jù)傳輸，還實現(xiàn)了 PCI、網(wǎng)絡(luò)MAC、USB等不同協(xié)議域之間建立數(shù)據(jù)流。結(jié)構(gòu)如圖9所示。
SRIO系統(tǒng)由一塊主C6455管理，可加載另外2片C6455，也可建立SRIO到SRIO，PCI到SRIO，MAC到SRIO等數(shù)據(jù)流。 Xilinx公司根據(jù)最新的RapidIO v1.3規(guī)范設(shè)計了其端點IP解決方案，同時集成了PCIe，以太網(wǎng)MACs等IP核，PCIe的32/64位地址空間(基地址)可自動映射至34/66 位SRIO地址空間(基地址)。PCIe應(yīng)用程序通過內(nèi)存或I/O讀寫與C6455通信。這些事務(wù)均可通過流寫入、原語和確認(rèn)讀/寫事務(wù) (SWRITEs, ATOMIC, NREADs, NWRITE/NWRITE_Rs)等I/O操作映射至SRIO空間。以實現(xiàn)從PCIe到SRIO或從SRIO向PCIe的轉(zhuǎn)換，從而在各個協(xié)議域之間建立數(shù)據(jù)流。

5 結(jié) 論

      在C6455等高端DSP中，SRIO已逐漸成為主流數(shù)據(jù)互連方式之一。SRIO具有引腳少、I/O處理開銷低、可達(dá)3.125Gbps高速率等優(yōu)勢， C6455間的SRIO通信設(shè)計和基于SRIO的加載技術(shù)提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，而基于DSP和FPGA的SRIO網(wǎng)絡(luò)設(shè)計降低了多處理器集成的難度，可方便進(jìn)行共享式或分布式處理，構(gòu)成具備共享帶寬和強(qiáng)大處理能力的通用處理平臺，從而更好地解決“強(qiáng)大計算能力”和“快速數(shù)據(jù)傳輸”兩大挑戰(zhàn)。