基于CPCI總線多DSP系統(tǒng)的高速主機(jī)接口設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代通信、雷達(dá)和聲納系統(tǒng)中，隨著實(shí)時(shí)處理要求的不斷提高，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)也提出了更高的要求。板載多片高性能的DSP芯片，配合大容量的SDRAM，可以很好地滿足上述要求，并且已經(jīng)成為了數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。采用CPCI總線集成系統(tǒng)，可以方便主機(jī)進(jìn)行調(diào)試，控制和管理DSP系統(tǒng)。系統(tǒng)中的主機(jī)接口可以使主機(jī)通過(guò)CPCI總線訪問(wèn)板上的DSP和SDRAM芯片，這是多DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

    　不同于以往簡(jiǎn)單地使用一個(gè)CPLD進(jìn)行粘合邏輯設(shè)計(jì)，本文提出了一種基于雙狀態(tài)機(jī)＋Cache，預(yù)存預(yù)取的主機(jī)接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。在主機(jī)接口中設(shè)立了一個(gè)Cache，降低了CPCI總線與板上DSP和SDRAM芯片的耦合度，并且設(shè)計(jì)了兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)機(jī)分別進(jìn)行控制。這顯著提高了主機(jī)訪問(wèn)DSP和SDRAM的速度，為DSP系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更廣闊的平臺(tái)。本文詳細(xì)闡述了如何完成CPCI總線和DSP、SDRAM芯片間的數(shù)據(jù)傳輸，分析了設(shè)計(jì)難點(diǎn)，并給出了邏輯框圖。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

   　 圖1是系統(tǒng)設(shè)計(jì)框 
圖，系統(tǒng)采用PLX公司的PCI9656接口芯片，它可以很方便地將時(shí)序相對(duì)復(fù)雜的PCI協(xié)議轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的局部端訪問(wèn)協(xié)議。在基本不損失性能的同時(shí)，簡(jiǎn)化了邏輯設(shè)計(jì)要求，使開(kāi)發(fā)者可以更為關(guān)注后端數(shù)據(jù)接口問(wèn)題。

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  　  FPGA采用Xilinx公司的X2V1000，它有近100萬(wàn)門的邏輯資源和720KB的BlockRAM，可以靈活搭建控制邏輯和Cache緩存。
 　   DSP采用ADI公司的ADSP-TS201S，共有4片，工作頻率是600MHz，總共可以提供14.4GFLOPS的運(yùn)算能力[1]。
  　  SDRAM采用Hynix公司的HY57V561620C，容量共有128MB，可以基本滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。

　　2 FPGA的接口設(shè)計(jì)

　　2.1 FPGA在系統(tǒng)中的作用

    　FPGA主要實(shí)現(xiàn)如下功能接口：(1)DSP接口。提供一個(gè)PCI Local總線到DSP共享總線的界面，完成兩套總線之間的邏輯仲裁及讀寫控制信號(hào)等；(2)SDRAM接口。提供一個(gè)PCI Local總線到SDRAM總線的界面；(3)FLASH接口；(4)鏈路口；(5)Register管理模塊。圖2給出了FPGA的各種接口與系統(tǒng)其他部分的關(guān)系圖。本文將重點(diǎn)討論主機(jī)和DSP、SDRAM間的訪問(wèn)。

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　　2.2 設(shè)計(jì)思想

   　 PCI局部端的時(shí)鐘是66MHz，而DSP共享總線為100MHz，時(shí)鐘的不匹配會(huì)給邏輯設(shè)計(jì)提出很多時(shí)序方面的問(wèn)題。另外，PCI局部端數(shù)據(jù)總線是32位，而SDRAM數(shù)據(jù)總線是64位，如何匹配數(shù)據(jù)寬度也是一個(gè)問(wèn)題。而且PCI局部端和DSP、SDRAM在控制時(shí)序上也有很大差別。

   　 圖1中顯示的是共享總線結(jié)構(gòu)，DSP、SDRAM和FPGA都掛在DSP的外部總線上。DSP之間的通訊可以使用DSP總線；各個(gè)DSP訪問(wèn)SDRAM時(shí)，也要選擇DSP總線；而且當(dāng)主機(jī)訪問(wèn)DSP通訊時(shí)，也會(huì)不可避免地使用DSP總線。因此不難得出這樣的結(jié)論：DSP總線將可能成為系統(tǒng)的瓶頸所在。所以在設(shè)計(jì)主機(jī)接口時(shí)，必須提高總線的使用效率，減少申請(qǐng)DSP總線的次數(shù)，每次申請(qǐng)使用DSP總線時(shí)都要盡可能多地傳輸數(shù)據(jù)。

    　在微處理器設(shè)計(jì)中，Cache被用來(lái)緩存數(shù)據(jù)、解決高速CPU訪問(wèn)低速存儲(chǔ)器時(shí)的瓶頸問(wèn)題。為了解決上述兩大問(wèn)題，在FPGA的設(shè)計(jì)中也采用了類似Cache的結(jié)構(gòu)來(lái)隔離不同總線間的傳輸。在Cache的兩邊有兩個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)控制Cache的讀寫和總線數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。使用Cache后，DSP共享總線和PCI局部端總線將被去耦合，這樣可以使兩級(jí)總線的數(shù)據(jù)

吞吐量都盡量達(dá)到自己的峰值速度。FPGA內(nèi)部有豐富的存儲(chǔ)資源，大塊的BlockRAM可以方便地搭建成Cache；而且Cache越大，越能提高主機(jī)訪問(wèn)DSP和SDRAM的效率，減小占用DSP總線的時(shí)間，從而可以縮短DSP間通過(guò)DSP總線互訪時(shí)的等待時(shí)間。

   　 圖3是DSP/SDRAM接口框圖，都是基于雙狀態(tài)機(jī)加上Cache結(jié)構(gòu)[2]。兩個(gè)狀態(tài)機(jī)同時(shí)監(jiān)測(cè)Cache當(dāng)前空、滿或是數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)等狀態(tài)，以決定其動(dòng)作；另外狀態(tài)機(jī)間還有命令通道，局部端狀態(tài)機(jī)用它向DSP/SDRAM端狀態(tài)機(jī)發(fā)出命令。由于這部分跨越了兩個(gè)不同頻率的時(shí)鐘域，因此必須加上同步電路以防止寄存器不定態(tài)的產(chǎn)生。

                                
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    　SDRAM接口與DSP接口不同處是它還有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SDRAM控制器，負(fù)責(zé)將自定義的SDRAM讀寫命令翻譯成SDRAM控制信號(hào)線RAS#、CAS#和WE#的組合。將SDRAM控制器獨(dú)立出來(lái)可以使得設(shè)計(jì)更加模塊化，避免SDRAM端狀態(tài)機(jī)過(guò)于龐大[3]。

　　2.3 DSP/SDRAM接口的實(shí)現(xiàn)

    　主機(jī)訪問(wèn)DSP時(shí)，必須遵守DSP的流水線協(xié)議，其中重要的是讀寫時(shí)的流水深度：讀操作時(shí)流水深度始終為四個(gè)周期，寫操作時(shí)流水深度始終為一個(gè)周期。主機(jī)執(zhí)行來(lái)自或去往DSP的突發(fā)操作時(shí)，支持超過(guò)四字的連續(xù)突發(fā)操作。當(dāng)主機(jī)發(fā)出突發(fā)首地址，只要BRST#信號(hào)有效，DSP就在內(nèi)部對(duì)地址累加。首次傳送的起始地址和最后一次傳送的結(jié)束地址必須四字對(duì)齊。這里只支持DSP端4字突發(fā)。[!--empirenews.page--]

    　SDRAM的訪問(wèn)協(xié)議很常見(jiàn)，限于篇幅，不再贅述。

   　 每次主機(jī)開(kāi)始訪問(wèn)DSP/SDRAM時(shí)，PCI局部端使用LHOLD和ADS#來(lái)啟動(dòng)一次傳輸，LWR＝0表明是讀過(guò)程。局部端狀態(tài)機(jī)向DSP/SDRAM端狀態(tài)機(jī)發(fā)出start命令。開(kāi)始時(shí)Cache為空，而且DSP/SDRAM提供數(shù)據(jù)要超過(guò)一段時(shí)間，所以在讀操作的開(kāi)始階段要無(wú)效ready_n使局部端等待。DSP/SDRAM端狀態(tài)機(jī)接收到局部端狀態(tài)機(jī)的start信號(hào)后，開(kāi)始從DSP/SDRAM讀出數(shù)據(jù)，填入Cache中。

    　當(dāng)預(yù)定義的數(shù)目被滿足后，局部端狀態(tài)機(jī)使ready_n有效以允許當(dāng)前的讀操作。DSP/SDRAM端將會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定是否突發(fā)讀寫DSP/SDRAM的方式，一直連續(xù)地讀DSP/SDRAM數(shù)據(jù)，寫入Cache中。除非接收到stop命令才回到IDLE狀態(tài)，或是在Cache快要填滿進(jìn)入等待狀態(tài)，放棄DSP共享總線，這樣可以使4片DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸盡可能少地被干擾。每次主機(jī)讀DSP/SDRAM時(shí)，都會(huì)直接從這個(gè)Cache中讀出數(shù)據(jù)。如果Cache中的數(shù)據(jù)少于預(yù)定義的數(shù)目，則ready_n將被無(wú)效，以使當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳送等待。一旦LHOLD信號(hào)無(wú)效（當(dāng)前這段PCI傳送結(jié)束）或是局部端地址不連續(xù)了（局部端有一個(gè)地址寄存器，它標(biāo)志Cache中下一個(gè)數(shù)據(jù)的地址，如果它和當(dāng)前局部端地址不同表示預(yù)取的Cache已經(jīng)無(wú)效），局部端狀態(tài)機(jī)就向DSP/SDRAM端狀態(tài)機(jī)發(fā)出stop命令。DSP/SDRAM端狀態(tài)機(jī)清空Cache，準(zhǔn)備下一次訪問(wèn)。讀SDRAM的同時(shí)開(kāi)啟一個(gè)定時(shí)器，一定的時(shí)間間隔內(nèi)要在讀命令中插入刷新命令，防止數(shù)據(jù)丟失。

    　主機(jī)寫DSP/SDRAM的操作過(guò)程因?yàn)橛蠧ache的存在顯得很簡(jiǎn)單[4]。因?yàn)榫植慷撕虳SP/SDRAM端之間有Cache完全隔離，所以局部端狀態(tài)機(jī)只要判斷Cache中還有足夠的空余位置就開(kāi)始往Cache中分別寫入地址和數(shù)據(jù)（兩者是一一對(duì)應(yīng)的）。局部端狀態(tài)機(jī)在寫的過(guò)程中，根據(jù)PCI9656的blast#信號(hào)來(lái)判斷單次還是突發(fā)以及突發(fā)是否結(jié)束；如果Cache中空余位置少于4個(gè)則進(jìn)入等待狀態(tài)。DSP/SDRAM端狀態(tài)機(jī)一旦看到Cache不為空，便從Cache中讀出地址和數(shù)據(jù)，整合了一段數(shù)據(jù)后開(kāi)始申請(qǐng)DSP共享總線，按照協(xié)議規(guī)定的時(shí)序要求將數(shù)據(jù)寫到DSP/SDRAM中。對(duì)DSP的寫操作就像寫SRAM一樣簡(jiǎn)單方便；寫SDRAM稍微復(fù)雜一些，除了要像讀一樣插入刷新命令外，每次寫SDRAM到了頁(yè)末時(shí)必須及時(shí)發(fā)出預(yù)

充電命令，防止地址錯(cuò)誤地回轉(zhuǎn)到頁(yè)首；另外每次寫完SDRAM后同樣發(fā)出預(yù)充電命令，關(guān)閉本頁(yè)，防止在同一個(gè)Bank內(nèi)打開(kāi)兩頁(yè)。

2.4 DSP/SDRAM接口性能

    　33MHz、32位的PCI總線理論極限速度是132MB/s，實(shí)際速度要有一些折扣。由于FPGA訪問(wèn)DSP和SDRAM理論帶寬分別有300MB/s和600MB/s，因此DSP/SDRAM接口的瓶頸在PCI端。在研華MIC3358主板上，主機(jī)無(wú)其他任務(wù)，重復(fù)訪問(wèn)DSP內(nèi)部一段64KB數(shù)據(jù)的測(cè)試環(huán)境下，接口的DMA讀速度有90MB/s，DMA寫有38MB/s。與此同時(shí)，Bittware的同類型板卡Tiger-6U-cPCI的DMA讀速度是86MB/s，DMA寫速度最高可以達(dá)到40MB/s。兩者的DSP接口訪問(wèn)速度基本相同，但是在Bittware的設(shè)計(jì)里，主機(jī)要訪問(wèn)SDRAM，必須要借助DSP的SDRAM控制器，占用DSP的一個(gè)FLYBY通道，會(huì)影響DSP的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)提供了一個(gè)主機(jī)直接訪問(wèn)SDRAM的接口。

    　本文首先提出了一個(gè)通用DSP系統(tǒng)的設(shè) 
計(jì)方案，主要給出了FPGA在系統(tǒng)中的位置和作用。然后簡(jiǎn)要介紹了FPGA的各個(gè)功能模塊，著重針對(duì)DSP和SDRAM接口進(jìn)行了討論，針對(duì)數(shù)據(jù)寬度和時(shí)鐘速率不匹配的特點(diǎn)，提出雙狀態(tài)機(jī)+Cache的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，給出相應(yīng)的FPGA設(shè)計(jì)框圖和設(shè)計(jì)思路。比較國(guó)際上知名的其他板卡，本系統(tǒng)的DSP接口的訪問(wèn)速度已經(jīng)達(dá)到了較高水平；一個(gè)高訪問(wèn)速率的主機(jī)接口的建立，可以使得系統(tǒng)運(yùn)行中的主機(jī)控制DSP過(guò)程盡可能少地影響DSP系統(tǒng)的運(yùn)行。而一個(gè)高訪問(wèn)速率的SDRAM接口的建立，也為主機(jī)和處理板間大容量數(shù)據(jù)交換提供了可能，這一點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和雷達(dá)信號(hào)處理中尤其有用。該設(shè)計(jì)已經(jīng)被應(yīng)用于某大型信號(hào)處理系統(tǒng)，取得了良好的效果。