基于PCI總線通用DSP信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1 引言

1.1 DSP簡介及基本特點(diǎn)

數(shù)字信號的處理離不開算法和實(shí)現(xiàn)手段。數(shù)字信號處理器（digital signal processor簡稱DSP）。是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后進(jìn)行高速實(shí)時處理的專用處理器，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)字信號處理的有力工具。DSP目前廣泛應(yīng)用于模式識別，數(shù)字通信，信號處理，工業(yè)控制等領(lǐng)域。TI公司的TMS320C54X系列DSP有著以下的特點(diǎn)：采用先進(jìn)的修正增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條總線（1條程序存儲器總線，3條數(shù)據(jù)存儲器總線和4條地址總線）；高度并行和帶有專用硬件邏輯的CPU設(shè)計(jì)；高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)；模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；能降低功耗和提高抗輻射能力的新的靜電設(shè)計(jì)方法。因此它能高速實(shí)時以及靈活地應(yīng)用于圖像處理、語言處理、頻譜分析、數(shù)字濾波、實(shí)時控制 等各個領(lǐng)域。TMS320VC5402是54X系列中應(yīng)用比較廣泛的一種芯片，它有著豐富的接口資源，是一種集數(shù)據(jù)處理和通信功能于一體的高速微處理器。其操作速率為40～100MIPS。

1.2 PCI局部總線的性能和特點(diǎn)

PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實(shí)現(xiàn)對這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時取得總線控制權(quán)以加速數(shù)據(jù)傳送。

2信號處理系統(tǒng)的功能構(gòu)成

通用信號處理系統(tǒng)一般分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理3個部分（圖1）。采集部分可以采用通用的數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)管理部分則必須用 PC機(jī)才能完成。在信號處理系統(tǒng)中，最費(fèi)時間，也即影響信號處理系統(tǒng)的實(shí)時性的瓶頸是數(shù)據(jù)的處理部分。數(shù)據(jù)的處理通常采用微機(jī)軟件的方法， 但完全由PC機(jī)處理有個缺點(diǎn)，就是信號處理需要的運(yùn)算主要是數(shù)字運(yùn)算，因相對于通用CPU（GPP）來說，它是采用馮·諾依曼存儲器結(jié)構(gòu)，并不適用于數(shù)字信號的運(yùn)算，不僅會造成處理速度慢，而且占用CPU時間過多，直接影響了PC機(jī)對數(shù)據(jù)的管理。因此，我們提出用另一種方法把信號處理部分從微機(jī)軟件中分離出來，交給DSP處理，然后把DSP處理好的數(shù)據(jù)再傳給PC機(jī)管理。該系統(tǒng)的功能構(gòu)成如圖1所示。這樣不僅可以做到信號處理和數(shù)據(jù)管理并行進(jìn)行，而且充分利用DSP對數(shù)字信號處理高速，并行的優(yōu)勢，提高了信號處理系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性。在對信號作連續(xù)的流水處理時，其性能優(yōu)勢更能得以體現(xiàn)，同時這也是一個廉價的產(chǎn)品，有著很高的性能價格比。

3 信號處理部分的硬件構(gòu)成

信號處理部分接口電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。信號處理程序保存在主機(jī)中，在上電以后，自舉加載到DSP中，并由固化在DSP的ROM中的 BOOTLOADER來完成。

主要的處理流程是：信號采集卡把模擬的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字的信息，進(jìn)入PC機(jī)；由PC機(jī)通過PCI接口把數(shù)字的信息傳輸?shù)紻SP，保存在SRAM中； DSP從SRAM中讀取數(shù)據(jù)，對信號進(jìn)行處理；然后，把處理后的數(shù)據(jù)再從PCI接口傳回PC機(jī)，交給數(shù)據(jù)管理部分處理。

3.1 PCI接口

為了管理數(shù)據(jù)和尋址、接口控制、仲裁以及系統(tǒng)運(yùn)行，PCI接口對單個目標(biāo)設(shè)備需要至少47個引腳，對主控設(shè)備最少需要49個引腳。圖3給出了按功能組劃分的引腳，左邊的為必需引腳，右邊的為可選引腳。圖中的信號的方向是對主控設(shè)備/ 目標(biāo)設(shè)備的組合而言。總引腳數(shù)120條（包含電源、地、保留引腳等）。PCI的總線寬度有32位和64位。在本系統(tǒng)中，設(shè)備是32位，沒有作64位擴(kuò)展。

由于PCI總線時鐘高達(dá)33MHz，信號線應(yīng)按微波傳輸線對待，再加上接口邏輯本身的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)難度很大。實(shí)現(xiàn)接口的辦法：（1）用可編程邏輯器件EPLD或FPGA和用EPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)。PCI接口的優(yōu)點(diǎn)在于其靈活的可編程性。首先PCI接口可以依據(jù)插卡功能進(jìn)行最優(yōu)化，而不必實(shí)現(xiàn)所有的PCI功能，這樣可以節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源；其次可以將PCI插卡上的其他用戶邏輯與PCI接口邏輯集成在一個芯片上，實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；再者當(dāng)系統(tǒng)升級時，只需對可編程器件重新進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)而無需更新PCB版圖。（2）用專用PCI接口芯片實(shí)現(xiàn)。專用PCI接口芯片可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主控模塊和目標(biāo)模塊接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對簡單的用戶接口。廠商對PCI總線接口進(jìn)行了嚴(yán)格的測試，用戶只要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換后的總線接口即可。從某種意義上講，PCI接口完成的是PCI總線和插卡上的從屬處理器之間的消息傳遞。

由于以上原因，再考慮到系統(tǒng)開發(fā)的成本和周期，用專用接口芯片來實(shí)現(xiàn)PCI總線的接口較理想。接口芯片選用的是TI公司的PCI2040。PCI2040 是專門用來和54X或6X橋接的芯片，可以實(shí)現(xiàn)與TMS320VC5402的無縫接口 ；可以對端口進(jìn)行訪問讀寫。PCI2040提供了一個由PCI總線至插卡總線的直通通路（pass-thru）。PCI2040通過這些數(shù)據(jù)通路將復(fù)雜的PCI接口轉(zhuǎn)換為相對簡單的插卡總線接口。在本系統(tǒng)中，DSP中的資源映射到PC機(jī)的內(nèi)存D9008000～D9008FFF和D9000000～ D9007FFF，中斷請求為11。

PCI2040通過HPI接口與DSP通信，通信流程如下：PCI總線向PCI2040讀寫數(shù)據(jù)，PCI2040會根據(jù)這些命令在HPI口上發(fā)起相應(yīng)的要求，這個通信過程可以通過編程首先初始化HPI控制寄存器HPIC以及主機(jī)地址寄存器HPIA，然后再從主機(jī)數(shù)據(jù)寄存器HPID中讀/寫數(shù)據(jù)來完成。具體的接口電路如圖4所示：一塊PCI2040最多可以掛接4片 DSP，以用于多DSP系統(tǒng)。

3.2 擴(kuò)展空間

對信號處理系統(tǒng)來講，DSP芯片所帶的資源常常不能滿足要求。這包括兩個方面，一是程序空間，二是數(shù)據(jù)空間。對程序空間，可以選擇不同的自舉方式，充分利用PC機(jī)的資源。對數(shù)據(jù)空間有下面幾種解決方法：（1）選擇資源多的芯片，但這會引起成本的上升；（2）改進(jìn)算法，邊讀取數(shù)據(jù)邊處理；（3）用一個鎖存器保存高位地址，自己擴(kuò)展數(shù)據(jù)空間。這 里采用的方法是在用算法進(jìn)行邊讀數(shù)據(jù)邊處理的同時，用SRAM對數(shù)據(jù)空間進(jìn)行了擴(kuò)展?？紤]到時序關(guān)系,以及TMS320VC5402只能與異步的存儲器連接等因素。選用了TPS73HD318。它是 3.3V，1M×16大小的靜態(tài)RAM，高低位字節(jié)可選，其讀寫速度達(dá)到12ns，能夠與DSP的讀寫速度相匹配，無須另加接口時序。對于等待時間的產(chǎn)生，可以用軟件的方法，對等待狀態(tài)寄存器（SWWSR）進(jìn)行設(shè)置。而產(chǎn)生的時延在調(diào)試時可以對DSP的時延寄存器進(jìn)行設(shè)置, 以達(dá)到最大速度。硬件接口如圖5所示。

4 DSP系統(tǒng)的自舉

所謂自舉（Bootload），就是在上電時從外部加載并執(zhí)行用戶的程序代碼。加載的途徑有：（1）從一個外部的EPROM或FLASH加載；（2）從主機(jī)通過HPI總線、并行I/O口、任何一個串行口、用戶定義的地址熱自舉等方式加載。因?yàn)樾盘柼幚淼某绦蛞话愣急容^大，為了保證這個信號處理系統(tǒng)的通用性和可移植性，需把程序保存在主機(jī)中，用HPI總線自舉。HPI是一個8位的并行口，PC機(jī)和‘5402通過共享的片內(nèi)存儲器交換信息。選用HPI自舉方式，需要把HINT和INT2引腳連在一起。復(fù)位時，Bootload使HINT置位，從而使 INT2置位。BootloaD讀出中斷標(biāo)志寄存器（IFR）的bit2位后，即能從HPI口進(jìn)行自舉。與別的54X系列一個很重要的不同是：5402要檢查數(shù)據(jù)存儲器的OX7FH位以決定程序的入口地址，用戶程序也要在復(fù)位完成后才能加載到HPI的RAM中。

5 驅(qū)動程序

因?yàn)镻CI2040擴(kuò)展了配置空間，所以，要通過 HPI口實(shí)現(xiàn)與DSP的通信，需要驅(qū)動程序。如果直接使用DDK來編寫PCI設(shè)備的驅(qū)動程序，需要大量的Windows底層的知識，難度比較大。因此可以使用別的驅(qū)動程序的編寫工具，如Vtools和 WinDrive。我們選用了WinDrive 。Jungo公司的WinDrive與其他驅(qū)動程序開發(fā)工具的最大不同是它可以在編程者不太了解Windows內(nèi)核的情況下編寫驅(qū)動程序。這樣，可以把精力主要放在功能的實(shí)行上，同時用WinDrive寫成的驅(qū)動程序只需作很少的修改就能很方便地適用于各種操作系統(tǒng)，如Win dows 9x, Window 2000,Windows NT以及Linux等。編寫過程如下：（1）用WinDrive 的Drive Wiz ard 工具查找所要編寫驅(qū)動程序的PCI卡，并用CREATING INF FILE 產(chǎn)生INF 文件,然后添加新硬件；（2）對PCI卡上的配置寄存器，I/O空間，內(nèi)存范圍，中斷，片內(nèi)寄存器進(jìn)行設(shè)置；（3）生成源代碼，對它進(jìn)行功能添加，主要是實(shí)現(xiàn)對DSP 片內(nèi)SRAM的訪問。