FPGA與DSP協(xié)同處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)之： FPGA與DSP的通信接口設(shè)計(jì)

11.3FPGA與DSP的通信接口設(shè)計(jì)

FPGA與DSP的通信接口可以分成以下幾種。

·存儲(chǔ)型接口，如EMIFA、EMIFB等。

·主機(jī)型接口，如HPI等。

·總線型接口，如PCI、EMAC等。

·串口型接口，如McBSP、McASP、SPI、UART等。

·特殊類接口，如VLYNQ、VPORT等。

以上的接口中，比較常用的接口是EMIF和HPI。其中總線接口需要協(xié)議支持，開(kāi)發(fā)難度較大，串行接口開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，但是速率較慢。VPORT等特殊接口一般是在特定的場(chǎng)合下應(yīng)用，不具備通用性，而且需要修改DSP驅(qū)動(dòng)，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。

11.3.1基于TMS320C64x系列的EMIF接口設(shè)計(jì)

1．EMIF簡(jiǎn)介

TMSC64xEMIF是TMSC621xEMIF的增強(qiáng)版。它具備TMSC621x/TMSC671xEMIF的所有功能，并添加了以下新功能。

（1）EMIFA上的數(shù)據(jù)總線可以是64位寬，也可以是32位寬。

（2）EMIFB上的數(shù)據(jù)總線為16位寬。

（3）EMIF時(shí)鐘ECLKOUTx為內(nèi)部生成，并基于EMIF輸入時(shí)鐘。器件復(fù)位時(shí)，以下3個(gè)時(shí)鐘之一會(huì)被配置為EMIF輸入時(shí)鐘。

·內(nèi)部CPU時(shí)鐘4分頻。

·內(nèi)部CPU時(shí)鐘4分頻。

·外部ECLKIN與TMSC64xEMIF接口的存儲(chǔ)器應(yīng)按照ECLKOUTx的時(shí)鐘頻率運(yùn)行。

·可編程同步存儲(chǔ)器接口控制器的同步控制引腳替換了固定的SBSRAM控制引腳。

·PDT引腳提供外部到外部傳輸支持。

如圖11.4所示為組成EMIFA和EMIFB接口的信號(hào)，表11.2對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行了描述。端口A的信號(hào)都帶前綴“A”，端口B的信號(hào)都帶前綴“B”。為方便起見(jiàn)，所有信號(hào)名稱都省略了EMIF端口前綴。

EMIFA接口具備與8、16、32或64位系統(tǒng)接口的功能。EMIFB接口端口僅支持8位和16位系統(tǒng)，如圖11.5所示。

外部器件（主要是存儲(chǔ)器）通常與總線的ED[7:0]字節(jié)側(cè)右對(duì)齊。Endianess（字節(jié)順序）決定ED[7:0]位是作為字節(jié)0（littleendian（小端））還是字節(jié)N（bigendian（大端），其中2N是總線寬度）存取。對(duì)不同字節(jié)通道的選擇，可通過(guò)低有效字節(jié)使能信號(hào)的應(yīng)用（如表11.2所示）來(lái)完成。

圖11.4EMIFA和EMIFB信號(hào)

表11.2 EMIF信號(hào)描述

續(xù)表

續(xù)表

圖11.5按Endianess對(duì)齊字節(jié)

有關(guān)EMIF接口及其功能的完整概述，請(qǐng)參閱相關(guān)的TI數(shù)據(jù)手冊(cè)（tms320c64xx.pdf，其中xx為15t、16t或18）。

2．FPGA的BlockRAM簡(jiǎn)介

Xilinx架構(gòu)的FPGA都可以訪問(wèn)模塊存儲(chǔ)器（BlockRAM）。Virtex、Virtex-E和Spartan-II器件中的這些4Kbit的模塊在Virtex-II、Virtex-IIPro和Spartan-3器件中都增加到18Kbit的模塊。

這些模塊都是完全同步、真正的雙端存儲(chǔ)器。用戶可獨(dú)立地從每個(gè)端口讀出或向每個(gè)端口寫入（但同一地址不能同時(shí)進(jìn)行讀和寫）。另外，每個(gè)端口都有一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘，并且對(duì)每個(gè)端口的數(shù)據(jù)寬度都可以獨(dú)立進(jìn)行配置。如圖11.6所示為雙端RAM模塊的框圖。

由FPGA邏輯和一批BlockRAM組成的FIFO取決于所構(gòu)建的FIFO要求的寬度和深度。FIFO可使用XilinxCOREGenerator™工具構(gòu)建，或者可以用HDL手動(dòng)組合。

使用COREGenerator工具構(gòu)建FIFO具有一定優(yōu)勢(shì)，即設(shè)計(jì)可以達(dá)到并實(shí)現(xiàn)很高的性能指標(biāo)。按照設(shè)計(jì)規(guī)范用HDL構(gòu)建的設(shè)計(jì)則可賦予設(shè)計(jì)人員完全的設(shè)計(jì)自由。

3．FPGA與DSP的EMIF連接

FPGA的靈活性使我們可以將其用做具備可選擇總線寬度（8位～64位）的各類存儲(chǔ)器而創(chuàng)建不同的設(shè)計(jì)。通過(guò)接口設(shè)計(jì)，可將FPGA用做同步或異步標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器，或同步或異步FIFO。通過(guò)接口設(shè)計(jì)，可將FPGA以同步或異步的方式連接到EMIF。

在同步模式中，ECLKOUTx時(shí)鐘用于驅(qū)動(dòng)FPGA接口邏輯。此時(shí)鐘甚至可以驅(qū)動(dòng)整個(gè)FPGA。FPGA的邏輯功能、專用乘法器、PPC405或MicroBlaze™處理器等使其具備了強(qiáng)大的處理功能。這樣，F(xiàn)PGA就可以用做協(xié)處理器或高速數(shù)據(jù)處理和傳輸器件。

FPGA的存儲(chǔ)器容量小于TMSC64x類型DSP的尋址空間。FPGA存儲(chǔ)器必須使用FPGABlockRAM來(lái)實(shí)現(xiàn)。上述TMSC64x到FPGA的接口為FIFO結(jié)構(gòu)，可以使用BlackRAM資源來(lái)實(shí)現(xiàn)。

FIFO接口可使用標(biāo)準(zhǔn)的TMSC64xEMIFFIFO接口機(jī)制。如表11.3所示為EMIF信號(hào)的總結(jié)。

表11.3 EMIF與FPGA的接口信號(hào)

FIFO要求連續(xù)地讀時(shí)鐘和連續(xù)地寫時(shí)鐘。這些時(shí)鐘由ARE和AWE信號(hào)生成，使用FPGA的本地時(shí)鐘控制功能進(jìn)行布線。

DSP具有3.3V的接口邏輯，所以用于連接到EMIF的I/O組（bank）必須指定為3.3VVCCIO。如果無(wú)法指定，就必須使用電平移位器件。這一器件可為兩個(gè)器件間的信號(hào)通路引入額外的時(shí)間。

4．FIFO接口的設(shè)計(jì)實(shí)例

本設(shè)計(jì)使用了標(biāo)準(zhǔn)的EMIFFIFO設(shè)置。如圖11.7所示為用于Xilinx公司的Virtex-IIPro和Spartan-3器件的設(shè)計(jì)示例。

圖11.7基于FIFO的EMIF接口實(shí)例

數(shù)據(jù)組芯片使能信號(hào)（Cex）與異步輸出使能（AOE）一起，用于為設(shè)計(jì)的寫或讀FIFO部分生成使能信號(hào)。此信號(hào)還用于為數(shù)據(jù)多路復(fù)用器和標(biāo)志選擇邏輯生成使能信號(hào)。

FIFO的讀寫時(shí)鐘通過(guò)本地時(shí)鐘布線直接布線到FIFO時(shí)鐘輸入。

FIFO中使用的RAMB16組件由于沿著與EMIF相連接的I/O塊進(jìn)行排列，顯著改善了時(shí)序。當(dāng)BlockRAM組件的列的大小與使用的I/O的數(shù)量相同時(shí)，即可構(gòu)建快速的矩形接口。

本設(shè)計(jì)使用常規(guī)的FIFO標(biāo)志輸出。要對(duì)標(biāo)志邏輯施加額外控制，無(wú)論是針對(duì)DSP端還是FPGA端，可使用寫計(jì)數(shù)器和讀計(jì)數(shù)器輸出。

信號(hào)AINIT（圖11.7中未顯示）強(qiáng)制所有標(biāo)志為高有效狀態(tài)。AINIT發(fā)出后，在第一個(gè)WR_CLK上，F(xiàn)ULL和ALMOST_FULL標(biāo)志變?yōu)闊o(wú)效，呈低狀態(tài)。對(duì)于在首個(gè)RD_CLK邊沿上的EMPTY和ALMOST_EMPTY標(biāo)記，也會(huì)發(fā)生同樣情況。

ALMOST_EMPTY和ALMOST_FULL標(biāo)志表明只剩下了一個(gè)FIFO位置。使用WR_COUNT和RD_COUNT輸出，可以構(gòu)建用戶定義的FIFO標(biāo)志。這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的值都不反映FIFO內(nèi)容（地址）的準(zhǔn)確位置。FIFO的兩個(gè)端口（時(shí)鐘域）都存在時(shí)鐘延遲，長(zhǎng)度為一個(gè)時(shí)鐘周期。

輸出WR_COUNT和RD_COUNT為被延遲的內(nèi)部FIFO高位地址計(jì)數(shù)器。為輸出選擇兩個(gè)比特，即可將FIFO的位置確定到總尺寸的四分之一（如下面計(jì)數(shù)器解碼示例中所示）。

計(jì)數(shù)器越寬，位置就能越精細(xì)。下面是計(jì)數(shù)器解碼示例。

·COUNT[1:0]=0b00表明FIFO小于1/4滿或1/4空。

·COUNT[1:0]=0b01表明FIFO在1/4和1/2滿之間或1/4和1/2空之間。

·COUNT[1:0]=0b10表明FIFO在1/2和3/4滿之間或1/2和3/4空之間。

·COUNT[1:0]=0b11表明FIFO大于3/4滿或3/4空。

DSP對(duì)不同標(biāo)志的反應(yīng)取決于FPGA中讀寫FIFO的狀態(tài)。

11.3.2基于TMS320系列DSP的主機(jī)接口（HPI）設(shè)計(jì)

1．HPI接口簡(jiǎn)介

HPI接口是一種數(shù)據(jù)寬度為16位的并行端口（C64xx系列DSP中，HPI口的數(shù)據(jù)寬度達(dá)到32位）。通過(guò)HPI口，主機(jī)可以直接對(duì)CPU的存儲(chǔ)器空間進(jìn)行操作。

在C621x、C671x系列DSP中，沒(méi)有留出專門的EDMA通道來(lái)執(zhí)行HPI口的訪問(wèn)操作，而是直接將HPI口連接到內(nèi)部的地址產(chǎn)生硬件上，因而提高了對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)空間的訪問(wèn)速度。

HPI口內(nèi)部加入了兩個(gè)8級(jí)深度的讀寫緩沖，可以執(zhí)行地址自增的讀寫操作，提高讀寫操作的吞吐量。HPI口為內(nèi)部CPU提供了標(biāo)準(zhǔn)32位的數(shù)據(jù)接口，同時(shí)為外部主機(jī)也提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的16位接口，所以對(duì)外部主機(jī)而言，每次讀寫必須執(zhí)行成對(duì)的16位操作。

對(duì)于C64xx系列DSP，HPI可以選擇16位（HPI16）和32位（HPI32）兩種模式。

對(duì)于C621x、C671x系列DSP，HPI口內(nèi)部有3個(gè)寄存器，分別是控制寄存器（HPIC）、地址寄存器（HPIA）和數(shù)據(jù)寄存器（HPID）。這3個(gè)寄存器可以直接被主機(jī)訪問(wèn)，主機(jī)每執(zhí)行一次對(duì)CPU內(nèi)部存儲(chǔ)空間的訪問(wèn)都必須先對(duì)控制寄存器和地址寄存器寫入相應(yīng)的值，然后才能對(duì)數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行讀寫操作。

HPI口的外部接口是由數(shù)據(jù)總線HD[15:0]以及一部分用于描述和控制HPI接口的控制信號(hào)組成，這些控制信號(hào)的具體類型如表11.4所示。

表11.4 HPI信號(hào)描述

續(xù)表

對(duì)于一個(gè)寫HPI口的操作，應(yīng)首先使能HCS，變化HDS1或HDS2，可使HSTROBE信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)下降沿。HPI口在這個(gè)下降沿采樣控制信號(hào)HCNTL[1:0]、HHWIL和HR/W，同時(shí)在使能HCS的同時(shí)驅(qū)動(dòng)HRDY，以使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。直到HRDY產(chǎn)生下降沿，表明HPID已清空，可以接收新的數(shù)據(jù)。此時(shí)HSTROBE也將產(chǎn)生一個(gè)上升沿，并采樣HD[15:0]上的數(shù)據(jù)并將其送入HPID，以完成第一個(gè)半字的寫入。

對(duì)于第二個(gè)半字的寫入，由于32位的HPID已經(jīng)清空，可以直接寫入數(shù)據(jù)。不會(huì)出現(xiàn)未準(zhǔn)備好的情況，所以HRDY一直保持為低，與第一個(gè)字節(jié)的寫入相同。該操作也在HSTROBE的下降沿采樣控制信號(hào)，并在HSTROBE的上升沿采樣數(shù)據(jù)總線HD[15:0]的數(shù)據(jù)并送HPID，以完成一個(gè)32位的寫入操作。

2．FPGA與DSP的HPI連接實(shí)例

FPGA與HPI的接口連接比較簡(jiǎn)單，就是將HPI接口相關(guān)的信號(hào)全部連接到FPGA的管腳。如圖11.8和圖11.9所示分別是FPGA和TI不同系列的DSP的連接框圖。

圖11.8FPGA與C621x、C671x系列DSP的HPI接口互聯(lián)框圖

圖11.9FPGA與C64x系列DSP的HPI接口互聯(lián)框圖