基于PCI總線的DSP數(shù)據(jù)運(yùn)算平臺(tái)設(shè)計(jì)

隨著DSP的性能不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。由于DSP的硬件結(jié)構(gòu)對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理特別適用，同時(shí)，PCI總線的高帶寬，動(dòng)態(tài)配置，大的地址空間等諸多特點(diǎn)，使得在PC上PCI總線完全取代ISA總線已經(jīng)是大勢(shì)所趨，目前新一代的主板上面已經(jīng)幾乎不提供ISA槽。為了科學(xué)研究以及實(shí)際應(yīng)用的需要，我們開(kāi)發(fā)了基于PCI總線的DSP數(shù)據(jù)運(yùn)算系統(tǒng)，主機(jī)程序通過(guò)PCI總線與DSP交換數(shù)據(jù)，可以提供高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用在語(yǔ)音處理，數(shù)字加密，圖像處理，多路數(shù)據(jù)流復(fù)用等實(shí)際應(yīng)用中。

基于PCI總線的DSP數(shù)據(jù)運(yùn)算平臺(tái)整個(gè)的運(yùn)作流程是這樣的:PC端運(yùn)行服務(wù)器程序，與DSP上運(yùn)行的客戶機(jī)程序通過(guò)PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通信由程序中設(shè)計(jì)的信號(hào)燈或者硬件中斷。PC端的服務(wù)器程序通過(guò)PCI總線有訪問(wèn)整個(gè)DSP內(nèi)部的存儲(chǔ)器內(nèi)容的能力，將所需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)送給DSP運(yùn)算，設(shè)置信號(hào)燈，當(dāng)DSP運(yùn)算完成后則取消信號(hào)燈或者中斷主機(jī)，主機(jī)將運(yùn)算完的數(shù)據(jù)取回。所需要解決的問(wèn)題主要有：

* PCI接口芯片的選擇；

* PCI與DSP的接口設(shè)計(jì)；

*DSP系統(tǒng)的自舉裝入（BootLoad）；

* 主機(jī)與DSP通信驅(qū)動(dòng)軟件的編制。

目前PCI接口卡的設(shè)計(jì)一般有兩種方法，第一種是基于將PCI接口完全集成到ASIC中，這樣做的好處是集成度高，量產(chǎn)的生產(chǎn)成本低，直接用成熟的IP核，但是對(duì)于普通的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)購(gòu)買現(xiàn)成的PCI控制器的IP的價(jià)格昂貴,難以接受。當(dāng)然也可以自己根據(jù)PCI協(xié)議在FPGA中實(shí)現(xiàn)PCI總線接口控制器，但是由于PCI總線協(xié)議自身的復(fù)雜性，要想在短期內(nèi)做到操作穩(wěn)定，難度很大。所以一般開(kāi)發(fā)PCI接口卡的時(shí)候都使用現(xiàn)成的PCI接口芯片。目前市場(chǎng)上面的PCI接口芯片有不同公司的多種型號(hào)產(chǎn)品，不同的產(chǎn)品價(jià)位相差很大，而且功能與使用的復(fù)雜性也有很大不同。我們?cè)谠O(shè)計(jì)前，要廣泛的調(diào)研，根據(jù)項(xiàng)目需求選擇合適的PCI接口芯片來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，就會(huì)事半功倍。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的有AMCC，PLX，CYPRESS等公司的橋芯片，各個(gè)型號(hào)的PCI接口芯片的比較如表1所示：

綜合項(xiàng)目需求，成本以及開(kāi)發(fā)難易等幾個(gè)問(wèn)題來(lái)考慮，選擇了PLX的9030芯片作為本設(shè)計(jì)的PCI運(yùn)算板的接口芯片。

TMS320VC5402是TI公司的5000平臺(tái)中力推的一款芯片，主頻可達(dá)100MHz，批量?jī)r(jià)格僅5美元，片上資源有40位ALU，17×17乘法器，4K×16位ROM，16K×16bitSARAM，8位擴(kuò)展主機(jī)接口(HPI），6路DMA控制器，兩個(gè)多通道帶緩存串口(MCBSP），兩個(gè)16位定時(shí)器。稱得上價(jià)格低廉，性能優(yōu)異，在嵌入式領(lǐng)域，無(wú)線設(shè)備，數(shù)字運(yùn)算等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

VC5402的引腳大多數(shù)有內(nèi)部的斯密特觸發(fā)器以及上拉電阻，對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)外部電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，不用作特別的處理，但是中斷源輸入必須從外部接上拉電阻。

DSP與主機(jī)的數(shù)據(jù)交互是PCI運(yùn)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。主機(jī)可以通過(guò)VC5402的主機(jī)接口中的三個(gè)HPI寄存器訪問(wèn)DSP芯片內(nèi)16K的DRAM。三個(gè)HPI寄存器的具體定義如下：

* HPIA：HPI地址寄存器，存放當(dāng)前所訪問(wèn)的DSP的內(nèi)存地址；

* HPIC：HPI控制寄存器，包括HPI的控制與狀態(tài)位；

* HPID：HPI數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng)前HPIA所在地址的數(shù)據(jù)；

主機(jī)要讀取DSP中某個(gè)地址的數(shù)據(jù)時(shí)，首先向HPIA中送入所需訪問(wèn)的地址，然后讀取HPID的內(nèi)容即可；同樣，主機(jī)要向DSP中某個(gè)地址寫入數(shù)據(jù)的話，首先向HPIA中送入所需訪問(wèn)的地址，然后將數(shù)據(jù)寫入HPID就可以了。

HPI寄存器由HDS1， HDS2地址線選擇，結(jié)合HRW，HAS只要很少的邏輯就可與主機(jī)接口。主機(jī)通過(guò)PCI總線接口芯片訪問(wèn)DSP，只需要做一些有效電平的轉(zhuǎn)換即可。單個(gè)VC5402與PLX9030接口芯片通過(guò)HPI連接的示意圖如圖1所示。

圖中PLD內(nèi)部的VHDL的核心部分代碼如下：

hcs <=not lad7;

has <='1';

hds1 <=wr;

hds2 <=rd;

hrw <=not lwr;

hcntl0 <=lad6;

hcntl1 <=lad5;

hbil <=lad4;

讀者可以從這段代碼看出，PLD主要的功能僅僅是地址譯碼以及電平的轉(zhuǎn)換。

由于一般的PCI接口芯片都提供了大量的局部端地址線（lad，Local Address and Data），所以多片DSP與主機(jī)接口也是很容易實(shí)現(xiàn)的，只要用PCI接口芯片的不同的局部端地址線來(lái)選通不同的DSP。多個(gè)VC5402與PLX9030接口芯片通過(guò)HPI連接的示意圖如圖2所示。

所謂自舉，就是系統(tǒng)上電后程序指針自動(dòng)跳到程序起始處開(kāi)始執(zhí)行。

VC5402內(nèi)部4K的ROM只有在量產(chǎn)的時(shí)候做掩膜才是經(jīng)濟(jì)上可行的，而且用戶程序一旦超過(guò)4K，就必須將程序存在外部掉電非易失的器件里面，如EEPROM，Flash或者通過(guò)主機(jī)下載程序。VC5402上電后調(diào)用片內(nèi)ROM里面出廠時(shí)已經(jīng)固化的BootLoad程序，從外部讀入用戶程序然后執(zhí)行之。下文介紹兩種常用的的系統(tǒng)自舉裝入的方法。

由于主機(jī)通過(guò)HPI口可以訪問(wèn)DSP的片內(nèi)SRAM資源，故而也可以在系統(tǒng)上電的時(shí)刻將程序由主機(jī)載入DSP，具體做法與第三節(jié)所講的主機(jī)與DSP通信流程相同。在硬件上需要將DSP的INT2與HPI的中斷輸出HINT直接相連以選中HPI自舉模式。HPI方式簡(jiǎn)單方便，不必外接掉電非易失的器件，對(duì)于基于主機(jī)的DSP信號(hào)處理板不失為一種理想的自舉裝入方式。

在非基于主機(jī)的DSP系統(tǒng)中，或者當(dāng)程序的二進(jìn)制代碼大小超過(guò)DSP的片內(nèi)的SRAM的容量的時(shí)候，這時(shí)候只能選擇將程序固化外部掉電非易失的器件中。由于Flash(閃速存儲(chǔ)器)容量大，價(jià)格便宜，可以在線編程以動(dòng)態(tài)的更新數(shù)據(jù)，一般選擇Flash作為固化程序的器件。由于Flash的種類很多，在選擇Flash的時(shí)候可根據(jù)系統(tǒng)工作電壓，容量，在線編程的難易等幾個(gè)指標(biāo)來(lái)選擇器件。

如果直接通過(guò)DDK來(lái)訪問(wèn)PCI設(shè)備，對(duì)于硬件開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)需要了解大量的Windows底層的知識(shí)，不利于項(xiàng)目的快速進(jìn)展，而對(duì)于專業(yè)的軟件開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，又不熟悉具體的硬件系統(tǒng)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序的操作對(duì)象不了解。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PLX公司專門推出了軟件開(kāi)發(fā)包(SDK），利用這個(gè)工具能夠方便快速的開(kāi)發(fā)出基于PLX的PCI接口芯片設(shè)備的Windows驅(qū)動(dòng)程序。利用PLX SDK開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，不需要熟悉操作系統(tǒng)的內(nèi)核知識(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中的所有API應(yīng)用程序接口函數(shù)都是工作在用戶態(tài)下的，通過(guò)與SDK的PLXSDK.DLL，PLX.SYS文件的交互來(lái)達(dá)到驅(qū)動(dòng)硬件的目的。

PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的流程為：

* 列舉設(shè)備；

* 找到所需設(shè)備；

* 列舉該設(shè)備所有資源；

* 鎖定設(shè)備資源；

* 訪問(wèn)設(shè)備資源；

* 解鎖設(shè)備資源，釋放設(shè)備。

PLX SDK用API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)以上的功能，通過(guò)下面一個(gè)簡(jiǎn)單的程序就可以訪問(wèn)DSP片內(nèi)SRAM，并且介紹一些常用函數(shù)的使用。

1．列舉設(shè)備，找到所有使用PLX接口芯片的設(shè)備。

2．選擇設(shè)備,根據(jù)設(shè)備號(hào)選中欲操作的設(shè)備。

device.BusNumber

=MINUS_ONE_LONG;

device.SlotNumber

=MINUS_ONE_LONG;

device.DeviceId

=MINUS_ONE_LONG;

device.VendorId

=MINUS_ONE_LONG;

device.SerialNumber[0]='