基于DSP和PCI總線的通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隨著移動(dòng)通信突飛猛進(jìn)的發(fā)展，移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量急劇上升，監(jiān)控大容量的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成了電信運(yùn)營(yíng)商刻不容緩的需求。而移動(dòng)通信數(shù)據(jù)的傳輸一般都是基于E1鏈路。因此從E1鏈路上采集通信數(shù)據(jù)成了移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)監(jiān)控最基礎(chǔ)的一部分。

　　數(shù)字信號(hào)處理器能夠高速地處理數(shù)據(jù)并具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐能力，在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。而PCI總線也因?yàn)闃O高的數(shù)據(jù)傳輸速率、與處理器無(wú)關(guān)、能支持多個(gè)外設(shè)等獨(dú)特性能，逐漸成為數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域微機(jī)總線的主流。本文中的采集系統(tǒng)就是運(yùn)用TI公司的TMS320C5410高速定點(diǎn)DSP和PLX公司的PCI9052 PCI總線接口芯片來(lái)搭建的。

1 系統(tǒng)功能概述

　　根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，系統(tǒng)的主要功能有:

　　(1)可以同時(shí)采集處理一條E1鏈路上所有32個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù);

　　(2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈路層協(xié)議解包后，重新打包成特定的格式，交給上層系統(tǒng)(PC機(jī))保存或進(jìn)一步處理。對(duì)鏈路數(shù)據(jù)狀態(tài)和采集的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，定時(shí)生成報(bào)表，交給上層系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示;

　　(3)系統(tǒng)應(yīng)具有盡量大的軟件升級(jí)功能和靈活性，便于系統(tǒng)提高性能或者應(yīng)用于其他通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集。

　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要是如何實(shí)現(xiàn)DSP與PCI9052之間高效率的數(shù)據(jù)通信。如果PCI9052和數(shù)據(jù)采集芯片共用一條總線，勢(shì)必會(huì)造成數(shù)據(jù)讀寫(xiě)上的沖突，影響工作效率，因此在系統(tǒng)中PCI9052通過(guò)DSP上專門(mén)的高速主機(jī)通信接口(host port interface，以下簡(jiǎn)稱HPI口)和DSP進(jìn)行通信。但是HPI口總線是一個(gè)非常特殊的總線，它采用訪問(wèn)寄存器的方式來(lái)進(jìn)行DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，把HPI口單純映射到PCI的I/O空間或者存儲(chǔ)器空間，有不可避免的缺點(diǎn)。本文提出了一種雙映射方法，成功地解決了這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了DSP與PCI9052之間方便、高速的數(shù)據(jù)通信。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由DSP、PCI總線接口芯片和鏈路數(shù)據(jù)采集芯片組成。

    本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320C5410(以下簡(jiǎn)稱C5410)DSP，該芯片的特點(diǎn)有[1][2]:

　　·處理能力可達(dá)到100MIPS;

　　·采用多總線技術(shù)，一條指令可以同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)和程序空間，具有高度并行性;

　　·具有改進(jìn)型的8位HPI接口，主機(jī)通過(guò)HPI口可以訪問(wèn)DSP系統(tǒng)的任何一個(gè)存儲(chǔ)器單元，而且外部訪問(wèn)和DSP內(nèi)部操作相互獨(dú)立，互不干擾;

　　·軟件可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器，可以靈活地用不同速度的器件組建系統(tǒng)。

　　PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9052，它是一款面向低端應(yīng)用的高性能、工作在目標(biāo)模式下的PCI接口芯片。PCI9052的本地總線寬度可以通過(guò)編程配置成8位、16位和32位，字節(jié)順序也可編程選擇，它提供了4個(gè)本地地址片選和5個(gè)本地地址空間[3]。這些特征為用戶搭建PCI板卡帶來(lái)了極大的方便和靈活性。

　　數(shù)據(jù)采集芯片采用了PMC公司的PMC4351。它可以同時(shí)采集三個(gè)時(shí)隙上的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)編程選擇采集或輸出T1、E1數(shù)據(jù)，支持HDLC協(xié)議，可以進(jìn)行去除CRC標(biāo)志、復(fù)幀標(biāo)志等預(yù)處理，為每個(gè)時(shí)隙提供128字節(jié)的發(fā)送FIFO和接收FIFO，有很完善的處理器接口。為了能夠同時(shí)采集一整條E1鏈路上的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用了11片PMC4351組成鏈路數(shù)據(jù)接口單元。各個(gè)芯片之間的接口利用CPLD來(lái)完成，它的可編程性為各個(gè)組成部分之間的控制和通信提供了相當(dāng)大的靈活性，也省去了大量外部電路，保證了硬件的方便調(diào)試和穩(wěn)定工作。

　　具體的硬件框圖如圖1所示。

3 DSP的HPI 接口與PCI9052的連接

C5410上的增強(qiáng)型8位HPI口為上層系統(tǒng)提供了一個(gè)靈活訪問(wèn)DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器的并行數(shù)據(jù)口。上層系統(tǒng)可以通過(guò)HPI口自由地讀寫(xiě)DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器中的任何一個(gè)單元。并且C5410為HPI口提供了專門(mén)的中斷線，這樣兩個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)中斷進(jìn)行控制信息交互。HPI為上層系統(tǒng)的訪問(wèn)提供了四個(gè)端口，通過(guò)這四個(gè)端口上層系統(tǒng)可以讀寫(xiě)HPI的地址寄存器(HPIA)和控制寄存器(HPIC);通過(guò)另外兩個(gè)端口HPIDC和HPIDS來(lái)分別連續(xù)和單個(gè)讀寫(xiě)C5410存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。這四個(gè)端口由HCNTL0和HCNTL1來(lái)尋址，它們的地址分配如表1所示[2]。

　　本系統(tǒng)采取雙映射方式來(lái)完成C5410與PCI9052的連接。第一個(gè)映射是將HPI口的四個(gè)寄存器分別映射到PCI空間的四個(gè)16位I/O口上。上層系統(tǒng)可以通過(guò)訪問(wèn)I/O端口的方式來(lái)訪問(wèn)這四個(gè)寄存器，而依照HPI口的工作流程就可以間接地訪問(wèn)C5410內(nèi)部存儲(chǔ)器。這四個(gè)寄存器和PCI9052本地I/O空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:

　　HPIC——100H

　　HPIDC——104H

　　HPIA——108H

　　HPIDS——10CH

　　在這種映射方式下，上層系統(tǒng)可以通過(guò)PCI的I/O訪問(wèn)方式直接訪問(wèn)HPI口的四個(gè)寄存器，操作很直觀。但是由于I/O訪問(wèn)無(wú)法進(jìn)行突發(fā)傳輸，大大限制了數(shù)據(jù)傳輸速度。

　　第二種映射方式是將HPIDC寄存器映射成PCI空間的一個(gè)長(zhǎng)度為2000H的8位存儲(chǔ)器塊。上層系統(tǒng)對(duì)該地址空間內(nèi)任一單元的讀寫(xiě)操作都會(huì)被映射成對(duì)HPIDC的讀寫(xiě)訪問(wèn)，因此從該空間內(nèi)讀取一個(gè)長(zhǎng)度為2000H的存儲(chǔ)器塊就會(huì)被映射成對(duì)HPIDC的2000H次讀取操作，效果等效于從DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀取連續(xù)1000H個(gè)16位字。寫(xiě)入的情況也類似。由上述可以看出，實(shí)際上這種模式形成了一個(gè)PCI存儲(chǔ)器空間和DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器空間之間一一對(duì)應(yīng)的直接映射。

　　在這種模式下，數(shù)據(jù)在PCI總線上可以突發(fā)傳輸，所以大大提高了數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度。但是如果把四個(gè)寄存器都映射為這個(gè)模式，接口邏輯會(huì)變得非常復(fù)雜。

　　上述兩種模式都有局限性，因此本系統(tǒng)同時(shí)采用了兩種映射模式。利用I/O映射來(lái)訪問(wèn)控制、地址寄存器和單個(gè)數(shù)據(jù)口，而用存儲(chǔ)器映射來(lái)訪問(wèn)連續(xù)數(shù)據(jù)口。

　　在這種配置方法下，PCI9052和HPI口之間的硬件連接，主要利用PCI9052的讀寫(xiě)控制信號(hào)ADS#、LBE[3..0]#、LW/R#、LRDY#和部分地址信號(hào)LA[3..2]進(jìn)行簡(jiǎn)單的時(shí)序和邏輯轉(zhuǎn)換后來(lái)生成HPI口的讀寫(xiě)控制信號(hào)HBIL、HDS1#、HCNTL0/1、HR/W#。由于HPI口的訪問(wèn)時(shí)鐘是C5410的外部頻率CLKOUT的5分頻，所以PCI9052的本地時(shí)鐘采用CLKOUT/5。

　　所有控制信號(hào)的接口邏輯和時(shí)序轉(zhuǎn)換都是由CPLD來(lái)完成，具體的連接方式如圖2所示。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理需要在C5410數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中開(kāi)辟三種存儲(chǔ)塊:一種是DATA BUFFER，它與PMC4351中各個(gè)時(shí)隙的FIFO一一對(duì)應(yīng)，用于緩存每個(gè)時(shí)隙上采集到的消息數(shù)據(jù);第二種是DATA  POOL(大小為1000H字)，這是一個(gè)消息數(shù)據(jù)池，消息數(shù)據(jù)在DATA BUFFER中存滿一整條消息后，就進(jìn)行一些相應(yīng)的預(yù)處理，加上一些TS包頭后，形成一個(gè)新的消息包，存入到DATA POOL中;另外還要再開(kāi)辟一個(gè)大小為1000H字的存儲(chǔ)塊HPI RAM，用于上層系統(tǒng)通過(guò)HPI來(lái)訪問(wèn)，這樣就將DSP的數(shù)據(jù)采集部分與上層系統(tǒng)的通信部分相互隔離開(kāi)來(lái)，互不干擾。在DATA POOL中存滿數(shù)據(jù)后，就進(jìn)行打包，形成一個(gè)大的數(shù)據(jù)包，交給HPI RAM，通過(guò)PCI 總線交給上層系統(tǒng)，進(jìn)行進(jìn)一步處理。整體的數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

由于DSP芯片的中斷引腳數(shù)目有限，而且中斷工作方式容易造成各個(gè)時(shí)隙數(shù)據(jù)采集不均勻的情況，本系統(tǒng)采用了輪詢的工作方式。

　　軟件的具體流程如圖4所示。

本文提出的雙映射配置方法和DSP軟件工作策略，成功地將C5410 DSP和PCI總線相互連接，接口具有邏輯簡(jiǎn)單、操作方便、效率高等優(yōu)點(diǎn)。在C5410的CLOCKOUT配置成64MHz的前提下，兩者之間數(shù)據(jù)傳輸速率理論峰值可達(dá)12.8Mbps，實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的平均速率達(dá)到了10Mbps。由于本系統(tǒng)采用的鏈路采集芯片的微處理器接口最高速率為2Mbps，限制了同時(shí)采集時(shí)隙的數(shù)目，從而限制了本系統(tǒng)的整體采集性能。因此采用更加高性能的采集芯片，可以充分發(fā)揮HPI口與PCI9052之間的高速數(shù)據(jù)連接，同時(shí)系統(tǒng)也可以升級(jí)到同時(shí)采集10條E1鏈路。

　　本文實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作良好，并已經(jīng)在電信部門(mén)得到采用。本系統(tǒng)具有應(yīng)用領(lǐng)域廣、可升級(jí)能力強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)。該系統(tǒng)目前已經(jīng)不僅僅用于采集移動(dòng)通信數(shù)據(jù)，也開(kāi)始應(yīng)用于采集V5、七號(hào)信令等協(xié)議的數(shù)據(jù)，滿足了系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的要求。