TS101S型DSP與PCI總線的簡易接口設(shè)計

    摘要：介紹Analog Device公司的TS101S型DSP與PCI的接口方式，分析其硬件組成及工作方式，給出TS101S與PCI9054型總線接口電路實現(xiàn)接口的硬件原理。

    關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器 TS101S PCI9054 接口

1 引言

DSP+PCI數(shù)字信號處理方案可利用PC的強大功能實現(xiàn)對DSP的操作控制、數(shù)據(jù)分析和操作監(jiān)視等。例如系統(tǒng)無需再有專門的人機界面（如鍵盤、監(jiān)視屏），只需將數(shù)據(jù)上傳至PC中顯示即可。也可將PC作為主控機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流上下行的控制和工作模式選擇等。DSP+PCI方案能充分滿足數(shù)字圖像、語音處理、高速實時數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域的應(yīng)用，為DSP系統(tǒng)的低成本實現(xiàn)提供了解決方案。

2 TS101S型DSP介紹

本系統(tǒng)采用美國Analog Device公司的高性能TIGER SHARC 101S（簡稱TS101S）作為主處理器。TS101S處理器劫持32bit和64bit浮點，以及8、16、32和64bit定點處理。它的靜態(tài)超量結(jié)構(gòu)使其每周期能執(zhí)行多達(dá)4條指令，進(jìn)行24個16bit定點運算和6個浮點運行。其內(nèi)部有3條相互獨立的128bit寬數(shù)據(jù)總線，每條連接3個2Mbit內(nèi)部存儲塊中的一個，提供4字節(jié)的數(shù)據(jù)、指令、I/O訪問和14.4Gbyte/s的內(nèi)部存儲帶寬。以300MHz時鐘運行時，其內(nèi)核指令周期為3.3ns。在發(fā)揮其單指令多數(shù)據(jù)特點后，TS101S每秒可以進(jìn)行了24億次40bitMAC運算或6億次80bitMAC運算。以300MHz時鐘運行時，完成1024點復(fù)數(shù)FFT（基2）僅需32.78μs，1024點輸入50抽頭FIR需91.67μs。TS101S有強大的鏈路口傳輸功能，每個鏈路口傳輸速度達(dá)到250Mbyte/s?？偟逆溌窋?shù)據(jù)率達(dá)1Gbyte/s(4個鏈路口)，超過了外部口的傳輸速率（800Mbyte/s）。

3 PCI介紹

PCI（Peripheral Component Interconnect）總線是一種不依附于某個具體處理器的高性能局部總線，因此開發(fā)PCI設(shè)備可獨立于處理器，具體由一個橋接電路（PCI橋）實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口數(shù)據(jù)傳送?？梢园裀CI橋描述為實現(xiàn)通用總線與PCI總線的地址映射、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存等功能的邏輯接口。

3．1 PCI橋的實現(xiàn)

開發(fā)者可以根據(jù)PCI總線規(guī)范所定義的電氣特性、時序要求來進(jìn)行接口設(shè)計。一種方式是使用可編程邏輯器件（FPGA/CPLD）根據(jù)實際需要的功能來設(shè)計，這種方式的成本低、靈活性高，但需要對PCI總線協(xié)議有充分的掌握，或者需要生產(chǎn)可編程邏輯器件的廠商提供PCI接口功能模塊。由于PCI總線的規(guī)范較復(fù)雜，一般用戶都會選擇專用的PCI接口電路，無需詳細(xì)理解底層的PCI總線協(xié)議，而只理解到應(yīng)用層即可。因此，本文介紹的系統(tǒng)采用后一種方案，PCI接口電路采用現(xiàn)在市場上使用較普通的PLX公司的PCI9054。

3．2 PCI9054

PCI9054采用先進(jìn)的PLX數(shù)據(jù)流水線結(jié)構(gòu)技術(shù)，是32位、33MHz的PCI總線主I/O加速器，符合PCI本地總線規(guī)范2.2版，有M、C、J三種模式。針對不同的處理器及局總線特性可選，盡量減少中間邏輯；具有可選的串行E2PROM接口，本地總線時鐘可和PCI時鐘異步。PCI9054內(nèi)部有6種可編程的FIFO，以實現(xiàn)零等待突發(fā)傳輸及本地總線和PCI總線之間的異步操作，支持主模式、從模式、DMA傳輸方式，功能強大，可應(yīng)用于適配卡和嵌入式系統(tǒng)。

4 DSP+PCI應(yīng)用實例

DSP+PCI數(shù)字信號處理系統(tǒng)的組成如圖1所示。模塊信號先輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后經(jīng)過由CPLD鎖存數(shù)據(jù)到DSP1，經(jīng)鏈路口到DSP2，數(shù)據(jù)處理完后再通過PCI9054把數(shù)據(jù)傳到PC。此外CPLD還作為PCI9054與TS101S的接口邏輯轉(zhuǎn)換。采用PCI9054與單個TS101S之間放置雙口RAM作為緩存的接口方式。DSP采用EPROM加載方案。

    本系統(tǒng)的特點是以盡量簡單的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，因此采用了DSP間鏈路的口互連方式，這樣一來，每對鏈路口互連僅需10條信號線，而采用總線互連方式時需超過100條信號線，可大大簡化PCB板的復(fù)雜度。二個DSP間保留2個鏈路通道，總數(shù)據(jù)速率可達(dá)500Mbyte/s。路口互連是ADSP系統(tǒng)的特有功能，也是ADSP處理器能以低成本組成多片高性能信號處理機的主要原因。

4．1 TS101S與PCI9054的接口

由于TS101S沒有專門的PCI接口，而PCI9054也僅在M模式下才能實現(xiàn)與MPC850或Power QUICC等Motrola電路的無縫連接，因此，TS101S與PCI9054之間需要可編程邏輯器件進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換。出于對研制周期的考慮，采用一種較為簡便的通信方式：在DSP與PCI橋間插入一個雙口RAM，雙口RAM一端的地址數(shù)據(jù)線接ISI101S，另一端的地址數(shù)據(jù)線接PCI9054。通過雙口RAM轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并作為公共訪問緩沖區(qū)。這樣，PCI橋與DSP之間的訪問成為間接，可以大大削彈對PCI的時序要求，DSP與PCI之間只需少量的信號通過CPLD來實現(xiàn)邏輯轉(zhuǎn)換，而無需總線仲裁，這種方式的時序簡單，控制信號較少，DSP與CPLD編程簡單，應(yīng)用更為方便。雙口RAM的型號為IDT70261，容量為16k×16bit。

PCI9054的工作方式為從模式，驅(qū)動方為PC，數(shù)字信號處理機作為LOCAL端的主機，中間由公用的雙口RAM進(jìn)行讀寫操作。在時序上，只需幾個簡單的控制信號進(jìn)行握手即可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。由PC主動發(fā)出讀寫命令，可根據(jù)需要實現(xiàn)單字節(jié)讀寫，在大多數(shù)系統(tǒng)中，這種方式已經(jīng)滿足要求。具體的接口電路如圖2所示。

PIC9054局部總線側(cè)的信號功能如下所述。

LHOLD：總線請求信號，由PCI9054驅(qū)動，高電平有效，有效時表明其正在使用本地總線。

LHOLDA：總線請求應(yīng)答，由LOCAL端設(shè)備驅(qū)動，在LHOLD有效后一個周期有效，直至LHOLD無效后才無效，以向PCI9054表明LOCAL端未占用總線。

ADS：地址閾門信號，低電平有效，表明一個總線訪問周期的開始，第一個時鐘有效，持續(xù)一個LCLK，此后地址線有效。

USERo：用戶輸出信號，由PCI9054驅(qū)動，引入CPLD，作為DSP的外部中斷請求。

USERi：用戶輸入信號，由外部設(shè)備驅(qū)動，PCI9054可查詢到外部設(shè)備發(fā)出的信號。

LW/R：讀寫信號，由PCI9054驅(qū)動。

READY：從模式下為輸入信號，當(dāng)一個訪問周期結(jié)束時，LOCAL端的設(shè)備要向PCI9054發(fā)出READY信號，表明完成本次訪問，可開始下一輪訪問。

4．2 系統(tǒng)工作方式

由于本系統(tǒng)采用RAM緩沖方式，因此PCI9054和DSP間只需握手信號即可。通過DSP的外部中斷IRQ和標(biāo)志引腳FLAG，以及PCI9054的用戶輸入/輸出USERi/USERo相互配合實現(xiàn)握手，可實現(xiàn)基本的單字節(jié)讀寫，如果需要更復(fù)雜的功能，可以加上控制字來實現(xiàn)。地址映射是雙口RAM的數(shù)據(jù)寬度為16位，PCI9054地址的LA1-LA14分別接RAM的ADD0-ADD13，PCI映射空間的偏移地址為0-7FFEH，偶地址有效。LA15引入CPLD后可作為雙口RAM的片選信號。

建立通訊的過程是PCI9054發(fā)送LHOLD信號，CPLD返回LHOLDA信號；PCI9054發(fā)出ADS信號，表示一次讀寫操作開始，此時CPLD鎖存讀寫信號LW/R，并轉(zhuǎn)換為RAM的R/W或OE信號；CPLD給PCI9054發(fā)送READY無效信號，使其保持等待狀態(tài)。

信號握手的實現(xiàn)過程是：

PCI9054向RAM寫數(shù)據(jù)→PCI9054通過USER0發(fā)出握手請求到CPLD→CPLD向DSP的IRQ發(fā)出中斷信號→DSP響應(yīng)中斷→DSP讀RAM數(shù)據(jù)。

DSP向RAM寫數(shù)據(jù)→DSP通過FLAG發(fā)出握手請求到CPLD→CPLD向PCI9054的USERi發(fā)出中斷信號→PCI9054查詢到中斷→PCI9054或RAM數(shù)據(jù)。時序如圖3所示。

圖3

    CPLD的程序如下：

Library IEEE;

Use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;

Use IEEE.STD_LOGIC_unsigned.all;

Use IEEE.std_logic_arith.all;

ENTITY PCI IS

PORT（

ADS:IN STD_LOGIC;

LCLK:IN STD_LOGIC;

LWR:IN STD_LOGIC;

LHOLD:IN STD_LOGIC;

LHOLDA:OUT STD_LOGIC;

READY:OUT STD_LOGIC;

OE:OUT STD_LOGIC;

RW:OUT STD_LOGIC);

END PCI;

ARCHITECTURE PCI_arch OF PCI IS

SIGNAL signal_0:STD_LOGIC;

BEGIN

PROCESS(LCLK)

BEGIN

IF LCLK'EVENT AND LCLK='1'THEN

IF LHOLD='1'THEN

IF ADS='0'THEN

Signal_0<='1';

ELSIF ADS='1'THEN

Signal_0<='0';

END IF;

END IF;

END IF;

IF LCLK'EVENT AND LCLK='1'THEN

IF LHOLD='1'THEN

IF LWR='0'THEN

OE<='0';

RW<='1';

ELSIF LWR='1'THEN

OE<='1';

RW<='0';

END IF;

END IF;

END IF;

IF LCLK'EVENT AND LCLK='0'THEN

IF LHOLD='1'THEN

IF signal_0='1'THEN

READY<='0';

ELSIF signal_0='0'THEN

READY<='1';

END IF;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

PROCESS(LCLK,LHOLD)

BEGIN

IF LCLK'EVENT AND LCLK='0'THEN

IF LHOLD='1'THEN

LHOLDA<='1';

ELSIF LHOLD='0'THEN

LHOLDA<='0';

END IF;

END IF;

END PROCESS;

END PCI_arch;

5 結(jié)束語

本文介紹的DSP與PCI總線的接 接方案靈活簡單，減小了布板的復(fù)雜度，簡化了PCI總線要求的時序，縮短了開發(fā)周期。采用該方案設(shè)計的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作穩(wěn)定，已應(yīng)用在低頻信號檢測領(lǐng)域中。