基于DSP和PCI總線的通用數(shù)字信號處理系統(tǒng)
[導讀]本文所設計的方案已經(jīng)成功應用于筆者開發(fā)的激光掃描系統(tǒng)中。實踐證明，該方案所用硬件簡潔，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠。本系統(tǒng)由于具有高速實時數(shù)據(jù)運算能力，可廣泛應用于語音處理、數(shù)字加密、圖像處理、多路數(shù)據(jù)采集處理等領域，可升級能力強，具有很廣闊的應用前景。
在信號處理系統(tǒng)中一般采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采用微機軟件處理的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，采用PC機實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。由于PC機的CPU采用的是馮?諾依曼存儲器結(jié)構，并不適用于數(shù)字信號的運算，若完全使用PC機處理數(shù)字信號不僅造成處理速度慢，影響PC機對數(shù)據(jù)的管理，還會影響信號處理系統(tǒng)的實時性。因此，提出一種方案把數(shù)字信號處理部分從PC機軟件中分離出來交給DSP處理，DSP處理完畢后再把數(shù)據(jù)交還PC機進行管理。這樣充分利用DSP對數(shù)字信號高速處理的優(yōu)勢，提高信號處理系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。本文以TMS320VC5402 DSP為例，給予說明。
1 系統(tǒng)的硬件設計
1.1 PCI接口芯片PCI9052
PCI9052是一款面向低端應用的高性能、工作在目標(從)模式的PCI接口芯片，支持PCI 2.1總線規(guī)范。該芯片的局部總線可以通過編程設置為8／16／32位的(非)復用總線，且局部總線時鐘與PCI總線時鐘相互獨立運行，便于高、低速設備的兼容，并可支持相對慢的局部總線在PCI總線上的突發(fā)傳輸速率達到132 Mb／s。同時，PCI9052提供5個本地地址空間和4個本地地址片選，基址和地址范圍可由串行E2PROM編程設置。選擇PCI9052作為PCI-DSP橋可以降低PCI總線開發(fā)的難度，增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
1.2 DSP的HPI通信協(xié)議
TMS320VC5402 DSP具有8位的增強型HPI接口，其專門用于DSP與其他總線或CPU進行通信。主機是通過HPI控制寄存器(HPIC)，地址寄存器(HPIA)，數(shù)據(jù)寄存器(HPID)訪問DSP的片內(nèi)RAM，從而實現(xiàn)與DSP通信的。DSP只能訪問HPIC。HPI寄存器的選擇由HCNTL[1：0]腳在PCI總線地址有效期實現(xiàn)，說明如表1所示：
1.3 DSP與PCI的接口設計
DSP與PCI的接口是實現(xiàn)DSP與主機進行通信的關鍵。由于TMS320VC5402 DSP的HPI口是8位并口，所以PCI9052局部總線設定為8位非復用總線模式，并將其LAD[7..0]與DSP的HD[7..0]連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線的連接。接口電路如圖1所示。在8位總線模式下，LBE[1：0]分別對應于地址的LA[1：0]，將LBE0與HBIL相連，用于區(qū)分當前傳輸?shù)氖堑?字節(jié)還是第2字節(jié)。LA[3：2]分別與HCNTL[1：0]相連，用于選擇HPI寄存器。利用PCI9052芯片的讀寫控制信號LBE0#，LBE1#，LW／R，LRDY#和部分地址信號LA[3：2]經(jīng)過CPLD進行時序和邏輯轉(zhuǎn)換便可生成HPI口的控制信號HBIL，HC-NTL0，HCNTL1，HDS1#，HR／W#。HPIENA腳接“1”表示選用HPI模塊。這樣PCI9052就可在地址有效期決定訪問哪個HPI寄存器，實現(xiàn)DSP與PCI的通信。
1.4 系統(tǒng)的電路設計
如圖2所示系統(tǒng)電路主要由3部分組成：第一部分是PCI9052與PCI插槽間的信號連接電路，包括地址數(shù)據(jù)復用信號AD[31：：0]；總線命令信號C／BE[3：：0]#；接口控制信號FRAME#，TRDY#，IRDY#，STOP#；IDSEI#，DEVSEL#，錯誤報告信號PERR#，SERR#；系統(tǒng)信號CLK，RST#。這些信號是局部總線設備保證與PCI總線正確通信的必要信號。第二部分是和串行E-2PROM的信號連接電路，E2PROM內(nèi)存儲的是用于PCI加載的配置信息，這些信息在PCI9052硬件復位時的正確加載是保證PCI局部總線設備正常工作的前提。第三部分是PCI9052與DSP HPI接口的信號連接電路，包括數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制信號線、中斷信號線等。此外該系統(tǒng)還可根據(jù)DSP的其他功能擴展相應的外設電路。
2 系統(tǒng)的軟件設計
2.1 PC機與DSP通信驅(qū)動程序設計
PC機上應用軟件不能直接對底層硬件進行訪問，為實現(xiàn)PC機與DSP的通信還應編寫設備驅(qū)動程序。WDM(Windows Driver Model)是NT3.51和NT4.0內(nèi)核模式設備驅(qū)動程序模型的擴展形式，是一種PnP驅(qū)動程序，能在Windows 98，Windows 2000和Windows XP間實現(xiàn)源代碼級兼容。為了便于在多操作系統(tǒng)中均能應用本系統(tǒng)，需編寫WDM驅(qū)動程序。
在PCI設備驅(qū)動程序中主要是完成PCI設備的內(nèi)存、端口的讀寫功能和中斷處理功能。若采用DDK開發(fā)，需要軟件人員對計算機底層知識熟悉、開發(fā)難度大、為簡化驅(qū)動程序的開發(fā)，可以使用NuMega推出的DriverStudio設備驅(qū)動程序開發(fā)工具包。通過DriverStudio開發(fā)者很容易生成驅(qū)動程序框架，同時，DriverStudio與VC++有很好的接口。生成的驅(qū)動框架可以在Microsoft VC++6.0環(huán)境下添加驅(qū)動代完成驅(qū)動編寫。驅(qū)動程序設計內(nèi)容如下：
PCI設備的硬件資源由PCI配置機構動態(tài)分配，由PCI設備實現(xiàn)PCI配置寄存器，提出需要配置的硬件資源，驅(qū)動程序只有獲取這些資源才能對硬件進行操作。設備初始化環(huán)節(jié)使PCI設備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)識別PCI器件，尋址PCI器件的資源。如果m_MemoryRange0，m_IoPortRange1分別為KMemoryRange類、KIoRange類的實例，則初始化操作可通過調(diào)用其成員函數(shù)實現(xiàn)：
(2)端口操作
對于X86處理器I／O空間是一個64 B的尋址空間。當初始化完畢后，可直接調(diào)用KIoRange類成員函數(shù)對端口進行操作。如從端口讀／寫一個雙字數(shù)據(jù)可調(diào)用成員函數(shù)ind()，Outd()實現(xiàn)。
(3)內(nèi)存操作
對于X86處理器內(nèi)存地址空間可達到4 GB。對內(nèi)存操作同樣可以通過調(diào)用KMemoryRange類成員函數(shù)實現(xiàn)。如從內(nèi)存讀、寫一個字數(shù)據(jù)可調(diào)用成員函數(shù)inw()，outw()實現(xiàn)。
(4)中斷操作
在本系統(tǒng)中的PCI中斷是由PCI設備發(fā)出的要求上位機接收數(shù)據(jù)的中斷請求，中斷服務程序要完成的功能是上位機從DSP的片內(nèi)RAM中讀取數(shù)據(jù)。對硬件的中斷處理可通過調(diào)用KInterrupt類的相關成員函數(shù)實現(xiàn)。
此函數(shù)完成了初始化中斷類實例操作并實現(xiàn)了與中斷服務例程的連接。驅(qū)動程序安裝好以后，在應用程序中調(diào)用Create-File()函數(shù)打開設備，通過調(diào)用API函數(shù)De-viceloControl就可實現(xiàn)應用程序與DSP之間的通信。
2.2 下位機軟件
下位機軟件為運行在DSP內(nèi)的客戶端程序。該軟件主要功能是接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)并按照用戶的要求進行處理，并把計算結(jié)果返回給上位機或根據(jù)計算結(jié)果驅(qū)動其他外設工作。該軟件的核心部分為對數(shù)據(jù)進行處理的算法，應按照數(shù)據(jù)處理的具體要求選用相應的算法實現(xiàn)。軟件的設計思想是：在系統(tǒng)復位后，首先對DSP進行初始化設置，如設置工作頻率為100 MHz，設置狀態(tài)寄存器ST0，ST1，設置軟件等待狀態(tài)寄存器等，以使DSP工作在最優(yōu)狀態(tài)。上位機在向下位機發(fā)送完畢數(shù)據(jù)后對DSP發(fā)出中斷請求，DSP立刻響應中斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務程序，進行數(shù)據(jù)處理。當數(shù)據(jù)處理完畢后，DSP再將數(shù)據(jù)的處理結(jié)果送還給上位機，結(jié)束本次中斷服務，程序返回到斷點處，直至下一次中斷的到來。軟件流程圖如圖3所示。
3 DSP系統(tǒng)的自舉加載(BootLoader)
DSP系統(tǒng)的自舉加載目的是使系統(tǒng)上電后程序代碼能從外部存儲介質(zhì)引導裝載到DSP內(nèi)部或外部程序存儲器中脫機運行。自舉加載的實現(xiàn)方式常用的有外部并行自舉加載和HPI自舉加載兩種。
由于主機可以通過HPI口訪問DSP的片內(nèi)RAM資源，所以下位機程序可以在系統(tǒng)上電復位的時候通過上位機加載到DSP中。采用自舉加載模式，在硬件上需要將DSP的INT2腳與HPI的中斷輸出HINT腳相連，以保證在系統(tǒng)復位后選擇HPI加載模式，通信原理和前面講述的方法一致。在加載過程中，上位機首先將程序搬移到DSP的片內(nèi)RAM，然后再將程序的人口地址寫到DSP的數(shù)據(jù)空間007FH內(nèi)，DSP一旦監(jiān)測到007FH處的數(shù)據(jù)不再為0即判斷為代碼轉(zhuǎn)移完畢，并跳轉(zhuǎn)到007FH里存放的地址去執(zhí)行，從而完成啟動。采用HPI加載方式不僅免去了外接E2PROM或FLASH等掉電非易失性存儲器件，而且可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理要求不同載入不同的下位機程序，從而簡化了硬件結(jié)構，增加使用的靈活性，是本系統(tǒng)理想的自舉加載模式。
4 結(jié)語
本文所設計的方案已經(jīng)成功應用于筆者開發(fā)的激光掃描系統(tǒng)中。實踐證明，該方案所用硬件簡潔，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠。本系統(tǒng)由于具有高速實時數(shù)據(jù)運算能力，可廣泛應用于語音處理、數(shù)字加密、圖像處理、多路數(shù)據(jù)采集處理等領域，可升級能力強，具有很廣闊的應用前景。
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