基于DSP＋ARM架構(gòu)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計

   摘要：介紹基于DSP＋ARM架構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)組成及其工作原理，給出了DSP通過EMIF接口與FPGA無縫連接的接口實現(xiàn)，DSP通過HPI接口與ARM高速接口的實現(xiàn)，以及基于ARM的高速以太網(wǎng)接口。簡要介紹了基于嵌入式操作系統(tǒng)；uClinux的網(wǎng)絡(luò)編程，給出了實驗結(jié)果。

　　在測試飛行控制組件時，遙測接收設(shè)各離信息處理中心較遠，而被測數(shù)據(jù)量又極大，如果采用傳統(tǒng)的專線傳輸遙測數(shù)據(jù)，則傳輸時間需幾個小時，無法滿足快速處理的要求。因此，需要研制一種協(xié)議轉(zhuǎn)換器，用來完成被測數(shù)據(jù)無損、實時、遠距離地與遠程上位機進行通信，并能接收上位機的控制指令，實現(xiàn)工作狀態(tài)的遠程交互，而測試人員通過上位機的人機界面就可以完成所有測試。

　　1、系統(tǒng)組成及工作原理

　　考慮到系統(tǒng)實時性和可靠性的要求，選擇以太網(wǎng)口作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器與遠程上位機的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口、以高速串口作為控制口的通信方式，采用DSP＋ARM架構(gòu)的硬件解決方案。系統(tǒng)框圖如圖1所示。基本工作原理：FPGA作為數(shù)據(jù)預(yù)處理器，完成并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)預(yù)處理任務(wù)；DSP讀取FPGA處理后的數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)壓縮；ARM作為中央處理控制器，主要從DSP系統(tǒng)中讀取已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)并通過以太網(wǎng)完成與上位機實時通信的任務(wù)。上位機按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、產(chǎn)品的數(shù)據(jù)遙測協(xié)議解調(diào)出各類物理變量，記錄并存儲。

圖1協(xié)議轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)框圖

　　測試人員通過上位機完成工作狀態(tài)的遠程設(shè)置與查詢信息交互的任務(wù)。

　　2、硬件設(shè)計

　　2．1 TMS32OC6416及其外圍電路設(shè)計

　　DSP芯片選用TI公司的TMS320C6416。這是TI公司推出的高速定點DSP，它擁有處理能力強大的CPU、高達1 MB的RAM及豐富的外設(shè)接口。外設(shè)包括為CPU訪問外圍設(shè)備提供無縫接口的靈活的外部存儲器接口EMIFA和EMIFB，一個使得DSP很容易通過PCI接口無縫連接到具有PCI功能的外部主CPU上的PCI接口，一個16／32 bit寬的異步并行接口HPI（和Pal共用相同的引腳），一個提供64 bit數(shù)據(jù)通道訪問的增強型EDMA等。TMS320C6416采用3．3 V和1．4 V電源供電，其中I／O采用3．3 V電源供電，內(nèi)核采用1，4 V電源供電。TMS320C6416有符合IEEE1149，1標準的JTAG標準測試接口及相應(yīng)的控制器，從而可以通過仿真器把DSP系統(tǒng)與PC機相連，進行在線調(diào)試。

　　2．1．1 DSP與SDRAM、Flash的接口電路

　　DSP處理器TMS320C6416對外有2個EMIF總線接口，分別是寬64 bit的EMIFA和寬16 bit的EMIFB。EMIFA接口具各與8、16、32、64 bit系統(tǒng)接口的功能，EMIFB接口端口支持8 bit和16 bit系統(tǒng)。EMIFA分成ACE0～ACE3四個存儲空間，每個存儲空間可以獨立配置，無縫連接多種類型的存儲器（如SRAM、Flash RAM、DDR RAM）。

　　為了提高系統(tǒng)運行速度，外擴兩片SDRAM芯片作為程序的運行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。SDRAM芯片選用同步存儲器MT48LC2M32B2TG，其容量為2 M×32 bit。TMS－320C6416通過EMIFA接口實現(xiàn)與兩片SDRAM芯片的無縫連接。

　　TMS320C64l6內(nèi)部沒有Flash存儲器，為了形成獨立的系統(tǒng)，采用外部擴展Flash存儲器AM29LV400B存儲程序。系統(tǒng)復(fù)位時，從Flash中加載程序。TMS320C6416通過EMIFB接口實現(xiàn)與Flash芯片的無縫連接。

　　2．1．2 DSP與FPGA的接口電路

　　由于DSP處理器TMS320C6416的采樣速度及存儲空間受到自身約束限制，所以數(shù)據(jù)的采集、流向控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理等任務(wù)由FPGA完成。FPGA芯片選用Xilinx公司低成本現(xiàn)場可編程門陣列Spartan －3E系列中的XC3S500E。XC3S500E芯片集成有⒛個Block RAM，每個RAM塊中的18 Kbit的模塊存儲器是完全同步、真正的雙端存儲器。用戶可獨立地從每個端口讀出或向每個端口寫人（但同一地址不能同時進行讀和寫）。另外，每個端口都有一個獨立的時鐘，并且對每個端口的數(shù)據(jù)寬度都可以獨立進行配置。[!--empirenews.page--]

　　在該協(xié)議轉(zhuǎn)換器中，DSP通過EMIFA接口連接到FPGA，實現(xiàn)DSP與FPGA Block RAM的無縫連接，從而使得DSP與FPGA之間的通信問題轉(zhuǎn)化為DSP對其EMIFA外設(shè)的訪問，達到了提高系統(tǒng)實時性的目的。為了保持FPGA與DSP之間的同步，F(xiàn)PGA的時鐘直接由DSP內(nèi)部的鎖相環(huán)提供。DSP處理器TMS320C6416與FPGA的接口示意圖如圖2所示。

圖2 TMS320C64l6與FPGA接口示意圖

　　2．2 S3C451OB及其外圍電路設(shè)計

　　ARM芯片選用Samsung公司的S3C4510B。S3C4510B是基于以太網(wǎng)應(yīng)用的高性價比16／32 bit RISC微控制器，內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計的16／32 bit ARMTTDMI RISC處理器核。S3C4510B提供了一套比較完整的通用的外圍設(shè)備，從而使得整個系統(tǒng)消耗最小。正是因為它具有很多常用的功能模塊，所以也免去了添加配置附加設(shè)各的麻煩。芯片上集成的功能主要包括以下幾個方面田：3．3 V ARM內(nèi)核和3．3 V外部I／O，具有50 MHz時鐘頻率的微處理器；8 KB的Cache／SRAM；一個10／100 Mb／s以太網(wǎng)控制器，MII接口；2個HDLC通道，每個通道可支持10 Mb／s；2個UART通道，2個DMA通道，2個32 bit定時／計數(shù)器；1個通道IIC接口，18個可編程I／O口；中斷控制器，支持21個中斷源，包括4個外部中斷；支持SDRAM、SRAM、Flash等；具有擴展外部總線和JTAG接口，支持軟件開發(fā)及硬件調(diào)試。

　　本設(shè)計選用ARM微控制器S3C4510B是因其集成有以太網(wǎng)控制器和極強的外圍擴展能力。S3C4510B以及其外圍芯片F(xiàn)lash、SDRAM組成了整個系統(tǒng)的核心，負責控制和協(xié)調(diào)各模塊工作，并實現(xiàn)與遠程上位機的以太網(wǎng)通信。本設(shè)計對S3C4510B內(nèi)部SDRAM和ROM進行了擴充。采用兩片SDRAM芯片HY57V641620并聯(lián)構(gòu)建32 bit的SDRAM存儲系統(tǒng)；采用一片F(xiàn)lash芯片HY29LV160構(gòu)建16 bit的Flash存儲器系統(tǒng)。

　　2．2.1 ARM與DSP的接口電路

　　由于ARM微控制器要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能，DSP處理器要執(zhí)行復(fù)雜計算，因此需要實現(xiàn)ARM和DSP之間的數(shù)據(jù)交換。從某種程度上來說，ARM和DSP之間數(shù)據(jù)交換的速度決定了整個系統(tǒng)的運行速度和性能。

　　DSP處理器TMS320C6416集成了一個16/32 bit寬的主機接口HPI，HPI通過復(fù)位時的自舉和器件配置引腳HD5選擇采用HPI16或HPI32。UPI具有兩條地址線HCNTRL［1：0］，負責對HPI的內(nèi)部寄存器尋址。HPI只有三個32 bit內(nèi)部寄存器，分別是控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA和數(shù)據(jù)寄存器HPID。只需對上述三個寄存器進行相應(yīng)的讀寫操作，就能完成對DSP內(nèi)存空間的訪問。

　　由于ARM微控制器S3C45l0B中沒有完全符合DSP處理器TMS320C6416 HPI接口時序的外部接口可以直接使用，因此選用S3C4510B中時序最接近HPI接口時序的外部I/0接口與TMS320C6416進行連接。TMS320C6416與S3C4510B的接口示意圖如圖3所示。由圖3可知，TMS320C6416與S3C4510B通過單獨的32 bit數(shù)據(jù)線HD0～HD31和8條控制線進行連接。S3C4510B通過HPI訪問DSP內(nèi)部的RAM以及其他一些外部資源。在整個ARM與DSP通過HPI進行通信和數(shù)據(jù)交換的過程中，除了中斷ARM和清除ARM發(fā)過來的中斷需要DSP本身參與外，其他操作中DSP都處于被動地位。所以對于ARM來說，DSP就相當于一片外接的SDRAM。[!--empirenews.page--]

圖3 TMS320C6416與S3C4510B的接口示意圖

　　2.2.2以太網(wǎng)接口電路

　　ARM微控制器S3C4510B內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)控制器，支持媒體獨立接田MII（Media Independent Interface）和帶緩沖DMA接口（Buffered DMA Interface）?？稍诎腚p工或全雙工模式下提供10／100 Mb／s的以太網(wǎng)接人。在半雙工模式下，控制器支持CSMA／CD協(xié)議，在全雙工模式下支持IEEE802．3 MAC控制層協(xié)議。因此，S3C4510B內(nèi)部實際上已包含了以太網(wǎng)MAC控制，但并未提供物理層接口，所以采用RTL8201作為以太網(wǎng)的物理層接口。信號的發(fā)送和接收端TPRX＋、TPBX－、TPTX＋、TPTX一應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和RJ45接口接入傳輸媒體。以太網(wǎng)接口示意圖如圖4所示。

圖4以太網(wǎng)接口示意圖

　　3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　由于需要ARM微控制器S3C4510B實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能，因此在S3C4510B上移植了嵌人式操作系統(tǒng)uClinux。uCLinux是一個帶有完整TCP／IP協(xié)議的操作系統(tǒng)，在uCLinux中加人實時RT －Linux模塊以滿足對嵌人式操作系統(tǒng)的實時性要求，并根據(jù)需要對uCLinux系統(tǒng)進行了裁剪。

　　在網(wǎng)絡(luò)通信中，基于TCP／IP協(xié)議的通信方式有很多，本文選用Socket實現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端的數(shù)據(jù)通信。socket是建立在傳輸層協(xié)議上的一種套接字規(guī)范，它定義了兩臺計算機間進行通信的規(guī)范。套接字屏蔽了底層通信軟件和具體操作系統(tǒng)的差異，使得任何兩臺安裝了TCP協(xié)議軟件和實現(xiàn)了套接字規(guī)范的計算機之間的通信成為可能。在開發(fā)ptCLinux系統(tǒng)下的套接字程序時，采用了TCP套接字，因為它提供了一種可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方法，有檢錯和糾錯機制，并且不管對單個數(shù)據(jù)報還是數(shù)據(jù)包，它都提供一種流式數(shù)據(jù)傳輸方式。服務(wù)器首先啟動并進行初始化操作，通過調(diào)用函數(shù)socket（）創(chuàng)建一個套接字，然后調(diào)用函數(shù)bind（）將該套接字和本地網(wǎng)絡(luò)地址綁定在一起，再調(diào)用函數(shù)listen（）將該套接字轉(zhuǎn)換成傾聽套接字，之后調(diào)用函數(shù)accept（）來等待接收客戶的請求。客戶在調(diào)用函數(shù)socket（）建立套接字后就可以調(diào)用函數(shù)connect（）與服務(wù)器建立連接∝連接一旦建立，客戶端和服務(wù)器端之間就可以通過調(diào)用函數(shù)read O和wnte（）進行通信，待數(shù)據(jù)傳送結(jié)束以后，雙方調(diào)用函數(shù)close（）關(guān)閉套接字。

　　通過對系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試，實現(xiàn)了被測數(shù)據(jù)無損、實時、遠距離與遠程上位機進行通信并能接收上位機的控制指令，實現(xiàn)工作狀態(tài)遠程交互的任務(wù)。測試人員通過上位機可以對遙測數(shù)據(jù)進行編輯，并隨時可以查看接收數(shù)據(jù)的正確與否。

　　本文詳細介紹了基于DSP＋ARM架構(gòu)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計實現(xiàn)。提供了詳細的硬件平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，闡述了基于嵌人式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程的實現(xiàn)方法。根據(jù)本方案實現(xiàn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器具有低成本、低功耗、通用性好、功能可升級擴展等優(yōu)點。