基于共享存儲體的多處理器間數(shù)據(jù)交換的幾種方法

合成孔徑雷達(dá)信號處理機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)就是對雷達(dá)回波信號進(jìn)行距離向和方位向的二維數(shù)據(jù)脈沖壓縮，從而得到地面目標(biāo)的高分辨率圖像。該系統(tǒng)是一個實(shí)時信號處理系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，運(yùn)算復(fù)雜。該系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換模塊的采樣率為200Mbyte/s，雷達(dá)回波信號I/Q正交雙通道，每通道采樣2048點(diǎn)，脈沖重復(fù)頻率為1.4kHz，則數(shù)據(jù)率為5.6Mbyte/s。系統(tǒng)在算法上主要完成距離向和方位向的脈沖壓縮，還要完成距離徙動校正和運(yùn)動補(bǔ)償。根據(jù)合成孔徑雷達(dá)成像算法，系統(tǒng)主要由A/D數(shù)據(jù)采集模塊、預(yù)處理模塊、標(biāo)量處理模塊、矢量處理模塊、后處理模塊、中心控制及數(shù)據(jù)顯示模塊組成。其中A/D數(shù)據(jù)采集模塊的A/D轉(zhuǎn)換器用MAXIM公司的SPT7750芯片，其采樣率為200Mbyte/s，分辨率為8bit。預(yù)處理用TMS320C6201定點(diǎn)處理器，峰值運(yùn)算速率為1600mips。標(biāo)量處理模塊用多片ADSP2106X來完成。矢量處理模塊用LH9124/9320芯片組來完成。后處理用TMS320C31來完成。中心控制器用i386EX單片機(jī)來完成，圖象顯示及人機(jī)接口用具有ISA總線及PCI總線的ALL IN ONE 來完成。顯而易見，這是一個多處理器系統(tǒng)。

　　作為一個系統(tǒng)，多個處理器必須交換數(shù)據(jù)，系統(tǒng)才能協(xié)同并行工作。處理器間交換數(shù)據(jù)可以有兩種方法，一種是利用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)板間數(shù)據(jù)傳輸，如VME、Compact PCI總線等，利用這種方法傳輸數(shù)據(jù)要求本板有總線控制器接口電路，還要有0槽卡，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，這里不作討論。另一種是利用共享存儲體的方法，這是本文討論的重點(diǎn)。兩個處理器要交換數(shù)據(jù)則必須要有兩個處理器都可以訪問的共享存儲體，一個處理器將數(shù)據(jù)寫入存儲體，而由另一處理器將數(shù)據(jù)時分讀出，這種方法可以實(shí)現(xiàn)處理器總線的隔離，使兩個處理器間可以有效地交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。兩個處理器要共同訪問一個存儲體有這樣幾種方法，其一是雙口RAM法、其二是先進(jìn)先出的FIFO法、其三是總線開關(guān)加存儲器法。這三種方法所要注意的問題是處理器間信號的握手，即當(dāng)一個處理器給存儲體寫入數(shù)據(jù)后產(chǎn)生旗標(biāo)通知另一處理器將數(shù)據(jù)取走。另一個問題是兩個處理器訪問同一存儲單元可能產(chǎn)生的沖突。下面就分別討論這三種方法。

1 用雙口RAM實(shí)現(xiàn)兩個處理器間數(shù)據(jù)交換

　　雙口RAM是一種雙端口器件，允許兩個處理器各訪問一個端口，每一個處理器都可以將雙口RAM看作自己的本地存儲器。雙口RAM的每個端口都有各自的數(shù)據(jù)、地址、控制總線，允許處理器對存儲器的任何地址執(zhí)行隨機(jī)讀寫操作。當(dāng)兩個處理器同時對同一地址單元操作(如同時寫、或一個寫一個讀)，雙口RAM會自動產(chǎn)生BUSY信號表示沖突。一般此BUSY信號接至處理器的READY端，使其讀或?qū)憰r序延長，最終讀出或?qū)懭搿?/p>

　　IDT公司的IDT7133是一種典型的雙口RAM芯片，其管腳分布如圖1所示。其中IO0～15表示數(shù)據(jù)總線、A0～10表示地址總線、R/W、CE、OE分別表示讀/寫、片選、讀選通，BUSY是IDT7133的輸出信號表示沖突，L、R分別表示左右端口，讀寫管腳中的L、U表示16Bit數(shù)據(jù)的低字節(jié)、高字節(jié)的區(qū)分，字母上方的—號表示該信號低電平有效。

作為雷達(dá)數(shù)字信號處理機(jī)的一個子系統(tǒng)的一部分，筆者設(shè)計了一個電路用于ISA總線和i386EX單片機(jī)交換數(shù)據(jù)，其示意性原理圖如圖1所示。

　　其中EXD0～15和i386EX單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，EXB1～11和i386EX的地址總線相連，EXOE#、EXWRL#、EXWRH#由i386EX狀態(tài)信號、讀寫信號組合產(chǎn)生，EXCS#由i386EX高端地址譯碼產(chǎn)生。ISAD0～15和ISA數(shù)據(jù)總線相連，ISAB1～11和ISA的地址總線相連，ISAOER#、ISAWRL#、ISAWRH#、ISACS#是由ISA總線的地址、讀寫、狀態(tài)組合產(chǎn)生，BUSY驅(qū)動i386EX的READY信號，結(jié)果表明i386EX和ISA總線間可以有效可靠地交換數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]

2 用FIFO實(shí)現(xiàn)兩個處理器間數(shù)據(jù)交換

　　實(shí)現(xiàn)兩個處理器間數(shù)據(jù)交換的另一種方法是FIFO結(jié)構(gòu)。FIFO是一種先進(jìn)先出的結(jié)構(gòu)，較之雙口RAM，它有如下特點(diǎn):第一它無地址線，布線簡單;第二它不能像雙口RAM一樣可以對任意地址單元操作，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取，只能是順序存取。FIFO只能實(shí)現(xiàn)塊操作，其讀出數(shù)據(jù)的順序和寫入的順序是一樣的。FIFO有單向雙向之分和同步異步之分。單向FIFO只能向一個方向傳輸數(shù)據(jù)，雙向FIFO可以向兩個方向傳輸數(shù)據(jù)。目前FIFO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由雙口RAM加驅(qū)動雙口RAM 地址的計數(shù)器構(gòu)成。同步FIFO 是由專用時鐘管腳信號來使計數(shù)器翻轉(zhuǎn)，片選和讀寫是使能信號;異步FIFO是由讀寫信號使計數(shù)器翻轉(zhuǎn)。IDT7205(CY7C460)是單向異步FIFO的典型芯片，其管腳分布如圖2所示。

　D0～8是數(shù)據(jù)輸入總線，Q0～8是數(shù)據(jù)輸出總線，R、W是讀、寫控制端，XI、XO是級聯(lián)控制端，HF、FF是FIFO狀態(tài)滿標(biāo)志，EF是FIFO狀態(tài)空標(biāo)志。根據(jù)HF、FF狀態(tài)，寫處理器就可以知道FIFO是否已滿，根據(jù)EF狀態(tài)讀處理器就可以知道FIFO里是否有數(shù)據(jù)。

　　筆者設(shè)計了一個用于TMS320C30傳輸數(shù)據(jù)給i386EX的電路，和FIFO相關(guān)部分的示意性原理圖如圖2。如果要反向傳輸，F(xiàn)IFO的輸入輸出要交換位置，邏輯要作適當(dāng)?shù)男薷摹Ｆ渲蠿D0～7和C30的副總線相連接，TMS_WRITE、TMS_RESET由C30副總線的觸發(fā)、讀寫及地址譯碼組合產(chǎn)生，TMS_FULL信號驅(qū)動C30的XRDY信號，以使FIFO滿時，寫總線周期延長。EXD0～7和i386EX單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，EX_READ是由i386EX狀態(tài)信號、讀寫信號及地址譯碼組合產(chǎn)生，EX_EMPTY供i386EX單片機(jī)的I/O口判讀。

3 用總線開關(guān)加存儲器實(shí)現(xiàn)兩個處理器間數(shù)據(jù)交換

　　第三種方法是總線開關(guān)法。對于像圖像處理等需要大量交換數(shù)據(jù)的應(yīng)用場合，用雙口RAM或FIFO方法就不太合適。雙口RAM和FIFO一般容量較小，而且價格昂貴。比如說常用的雙口RAM  IDT7133 只有32Kbit(2K×16bit)，而單向FIFO IDT7205也只有8K×9bit。用總線開關(guān)外加大容量存儲器很適合這種大容量的數(shù)據(jù)傳輸。

　　IDT74FST163212是一種典型的總線開關(guān)芯片，其管腳分布如圖3所示。

其中S0～2是總線開關(guān)控制端，A、B、C、D是四個總線端口，每個總線端口有12根線組成，由S0～2控制A、B和C、D總線端口的導(dǎo)通或不導(dǎo)通。例如當(dāng)S2、S1、S0為000時，總線間不導(dǎo)通，呈高阻態(tài);當(dāng)為001時，A總線端口和B總線端口導(dǎo)通，即A1和B1導(dǎo)通、A2和B2導(dǎo)通……;由于總線開關(guān)是由柵極可控的場效應(yīng)管組成，信號無方向性，導(dǎo)通電阻很小，只有幾個或十幾個歐姆。[!--empirenews.page--]

    筆者設(shè)計了一個電路，由TMS320C30和一塊FPGA作主控器共同訪問一片存儲器，由于線較多，這里僅給出其示意性原理圖見圖4。由TMS320C30將數(shù)據(jù)塊寫入存儲器，再由FPGA將數(shù)據(jù)讀走。

利用共享存儲體實(shí)現(xiàn)處理器間的數(shù)據(jù)交換是一種簡單易行的方法。用共享存儲體實(shí)現(xiàn)處理器間數(shù)據(jù)交換的各種方法中，雙口RAM、FIFO適用于小容量交換數(shù)據(jù)的場合，總線開關(guān)加存儲器的結(jié)構(gòu)適用于大容量數(shù)據(jù)交換的場合。