基于DSP的高性能通用并行彈載計算機設(shè)計與實現(xiàn)

該彈載計算機選用標(biāo)準(zhǔn)cPCI 6U板型，板內(nèi)集成了兩個處理節(jié)點，同時可承載兩個PMC子板。
2．1 DSP+FPGA共享總線型處理節(jié)點
彈上控制和信號處理系統(tǒng)中，低層的信號處理算法處理的數(shù)據(jù)量大，對處理速度要求高，但運算結(jié)構(gòu)相對簡單，適于用FPGA實現(xiàn)，這樣能同時兼顧速度及靈活性。高層處理算法處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適于用運算速度高，尋址方式靈活，通信機制強大的DSP來實現(xiàn)。
為此，筆者設(shè)計的彈載計算機主要包括DSP，F(xiàn)P-GA，SDRAM和CPLD。DSP主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高層算法處理和控制，F(xiàn)PGA實現(xiàn)對外的接口，并可對輸入輸出的數(shù)據(jù)進行低層算法預(yù)處理，SDRAM用來緩存數(shù)據(jù)，CPLD用來實現(xiàn)一些輔助邏輯。選用的DSP芯片是ADI公司的TS201，單片處理能力3．6 GFLOPS，內(nèi)核時鐘頻率600 MHz，片內(nèi)內(nèi)存24 Mb，125 MHz／64 b片外總線，具有1 GB的SDRAM訪問能力，還有4個Link口，每個Link口收發(fā)獨立，最高帶寬為1．2 GB／s。
所有特點都使得TS201適合多片擴展，構(gòu)成一個大規(guī)模高性能的信號處理系統(tǒng)。選用的FPGA芯片為Xilinx公司的VirtexⅡpro系列XC2VP20，它的規(guī)模約200萬門，內(nèi)部集成了1 584 Kb的RAM，88個18×18 b的乘法器，8個傳輸速率可達(dá)3．125 Gb／s的Rock-etIO高速通道，這些特點使得該FPGA適合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和預(yù)處理。而且它的管腳兼容XC2VP30／40，可實現(xiàn)FPGA規(guī)模的進一步擴展。每個處理節(jié)點包括兩片TS201，一片F(xiàn)PGA，最高4 GB的SDRAM，以及一片CPLD，并共享總線。之所以只用兩片TS201，是考慮到總線上設(shè)備太多，會使得總線時鐘頻率降低，帶寬變小，并行度和效率都不高。兩片TS201共享總線充分發(fā)揮了處理能力、傳輸能力、存儲能力的匹配性。TS201總線上的SDRAM最高支持1 GB的空間，通過CPLD進行邏輯控制，可使SDRAM擴展到4 GB，增加了存儲能力，適應(yīng)大容量存儲應(yīng)用的場合。
2．2 多層次互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)
互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建一個并行處理和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。本彈載計算機利用系統(tǒng)PCI總線、TS201的Link口，基于FPGA的RocketIO物理通道實現(xiàn)的串行RapidIO協(xié)議，以及利用CPLD實現(xiàn)的同步定時總線，構(gòu)成了不同層次的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以便適應(yīng)信號處理系統(tǒng)中不同類型的數(shù)據(jù)流傳輸。cPCI標(biāo)準(zhǔn)通過J1，J2連接64 b系統(tǒng)PCI總線，PCI橋把系統(tǒng)PCI總線轉(zhuǎn)換為局部PCI總線。每個處理節(jié)點通過FPGA(FPGA 0和FPGA 1)實現(xiàn)PCI接口，兩個處理節(jié)點和兩個PMC子板共享局部PCI總線，并通過PCI橋與系統(tǒng)PCI總線連接在一起。這使得系統(tǒng)主控模塊可以通過PCI總線實現(xiàn)對每個處理節(jié)點以及PMC子板的控制。同時各個節(jié)點之間也可通過。PCI總線交換數(shù)據(jù)。但由于總線的限制，只能實現(xiàn)一些低速、非實時的數(shù)據(jù)交換。TS201具有4個高速Link口，可實現(xiàn)多片TS201之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。對于板內(nèi)的4片TS201，利用各自2個Link口構(gòu)成1個環(huán)形Link連接，使得板內(nèi)4片TS201緊密耦合在一起。另外，每片TS201的1個Link口共4個Link口連到FPGA 2(稱之為Link Switch)上，同時每個PMC的PJ4上也定義兩個Link口，板卡的J4上定義4個Link口，所有這些Link口都連到FPGA2上。通過FPGA2，可以靈活地配置板內(nèi)、板內(nèi)與PMC子板、板間不同節(jié)點構(gòu)成不同的Link互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并且可以利用。FPGA的動態(tài)加載功能，動態(tài)地配置不同的Link互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。FPGA2同時還與J5上的32 b自定義接口連接，可實現(xiàn)一些用戶自定義接口。同時每個處理節(jié)點內(nèi)的2片TS201還有1個Link口都連到了節(jié)點內(nèi)總線上的FPGA(FPGA0和FPGA1)，與該FPGA對外的串行RapidIO接口相配合，實現(xiàn)外部串行RapidIO數(shù)據(jù)流與TS201內(nèi)部數(shù)據(jù)的交換。Link口具有大帶寬、低延時的特點，因此適合用來傳輸原始數(shù)據(jù)流和一些帶寬大，實時性強的中間數(shù)據(jù)流。串行RapidIO是基于包交換的第三代互聯(lián)協(xié)議，相比TS201的Link協(xié)議，它具有更為完善的分層協(xié)議定義(包括邏輯層、傳輸層和物理層)。該協(xié)議使得模塊具有更強的通用性，不僅可以與同類型的各模塊互聯(lián)，還可以與任何具有串行RapidIO接口的異構(gòu)模塊互聯(lián)。利用FPGA的Rocke-tIO物理通道，通過FPGA編程可實現(xiàn)串行RapidIO協(xié)議。FPGA0和FPGA1通過4個RocketIO通道直接相連，可實現(xiàn)二者之間4個1×模式或1個4×模式的串行RapidIO接口。同時，F(xiàn)PGA0和FPGAl還各自通過4個RocketIO與J3相連，這樣通過J3，彈載計算機就可以以8個1×模式或2個4×模式的串行RapidIO接口與其他模塊互聯(lián)，構(gòu)成多個模塊之間的串行Ra-pidIO互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。串行RapidIO網(wǎng)絡(luò)也具有大帶寬的特性，而且相比Link口具有更為完善的協(xié)議控制，但正是由于復(fù)雜的協(xié)議控制，使它的傳輸延時相比Link口更大。因此，它可與Link網(wǎng)絡(luò)形成很好的互補，用來傳輸大帶寬，延時要求不高的數(shù)據(jù)流。在J3上定義了8 b同步定時信號，用來實現(xiàn)各個節(jié)點之間的同步定時控制。這些信號通過RS 245驅(qū)動后與每個節(jié)點內(nèi)部的CPLD相連。每片TS201可通過中斷或讀寫寄存器等方式對節(jié)點內(nèi)的CPLD進行操作，進而通過CPLD內(nèi)部邏輯產(chǎn)生相應(yīng)的同步定時信號進行各個節(jié)點之間的同步。RS 245的雙向性使得每個節(jié)點既可以發(fā)出同步信號，也可以接收同步信號，更加靈活。該模塊所有對外的互聯(lián)接口都是通過J1～J5接插件連接，這樣就可以在底板上把各個模塊之間的各個接口連接起來。而且既可以使用固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無源底板，也可以使用帶有交換芯片的有源底板或?qū)ｉT的交換板，靈活構(gòu)建各類互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。