??? 摘 要： CPCI總線是一種成熟全面的計算機(jī)總線，通過它主機(jī)可以方便地為DSP加載程序，進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)控工作；另外還能在主機(jī)和DSP系統(tǒng)間完成高速數(shù)據(jù)傳輸工作。本文結(jié)合一個已經(jīng)成功應(yīng)用的設(shè)計，闡述了基于雙狀態(tài)機(jī)＋Cache結(jié)構(gòu)的主機(jī)接口設(shè)計" title="接口設(shè)計">接口設(shè)計，并給出了邏輯框圖。利用PLX公司的PCI9656接口芯片" title="接口芯片">接口芯片，F(xiàn)PGA提供了高達(dá)90MB/s的主機(jī)訪問DSP和SDRAM的速度。
??? 關(guān)鍵詞： CPCI總線? FPGA? DSP? SDRAM? Cache
?
??? 在現(xiàn)代通信、雷達(dá)和聲納系統(tǒng)中，隨著實時處理要求的不斷提高，對數(shù)字信號處理系統(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" title="大容量">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)字信號處理系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。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CPCI總線訪問板上的DSP和SDRAM芯片，這是多DSP系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點之一。
??? 不同于以往簡單地使用一個CPLD進(jìn)行粘合邏輯設(shè)計" title="邏輯設(shè)計">邏輯設(shè)計，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)計結(jié)構(gòu)。在主機(jī)接口中設(shè)立了一個Cache，降低了CPCI總線與板上DSP和SDRAM芯片的耦合度，并且設(shè)計了兩個獨立狀態(tài)機(jī)分別進(jìn)行控制。這顯著提高了主機(jī)訪問DSP和SDRAM的速度，為DSP系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更廣闊的平臺。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)計難點，并給出了邏輯框圖。
1 系統(tǒng)設(shè)計方案
??? 圖1是系統(tǒng)設(shè)計框圖，系統(tǒng)采用PLX公司的PCI9656接口芯片，它可以很方便地將時序相對復(fù)雜的PCI協(xié)議轉(zhuǎn)化為相對簡單的局部端訪問協(xié)議。在基本不損失性能的同時，簡化了邏輯設(shè)計要求，使開發(fā)者可以更為關(guān)注后端數(shù)據(jù)接口問題。
???????????????????????? 
??? FPGA采用Xilinx公司的X2V1000，它有近100萬門的邏輯資源和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)存儲的要求。
2 FPGA的接口設(shè)計
2.1 FPGA在系統(tǒng)中的作用
??? FPGA主要實現(xiàn)如下功能接口：(1)DSP接口。提供一個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等；(2)SDRAM接口。提供一個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。本文將重點討論主機(jī)和DSP、SDRAM間的訪問。
??????????????????????????? 
2.2 設(shè)計思想
?? ?PCI局部端的時鐘是66MHz，而DSP共享總線為100MHz，時鐘的不匹配會給邏輯設(shè)計提出很多時序方面的問題。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)寬度也是一個問題。而且PCI局部端和DSP、SDRAM在控制時序上也有很大差別。
??? 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DSP訪問SDRAM時，也要選擇DSP總線；而且當(dāng)主機(jī)訪問DSP通訊時，也會不可避免地使用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)計主機(jī)接口時，必須提高總線的使用效率，減少申請DSP總線的次數(shù)，每次申請使用DSP總線時都要盡可能多地傳輸數(shù)據(jù)。
??? 在微處理器設(shè)計中，Cache被用來緩存數(shù)據(jù)、解決高速CPU訪問低速存儲器時的瓶頸問題。為了解決上述兩大問題，在FPGA的設(shè)計中也采用了類似Cache的結(jié)構(gòu)來隔離不同總線間的傳輸。在Cache的兩邊有兩個狀態(tài)機(jī)來控制Cache的讀寫和總線數(shù)據(jù)的訪問。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DSP和SDRAM的效率，減小占用DSP總線的時間，從而可以縮短DSP間通過DSP總線互訪時的等待時間。
??? 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]。兩個狀態(tài)機(jī)同時監(jiān)測Cache當(dāng)前空、滿或是數(shù)據(jù)個數(shù)等狀態(tài)，以決定其動作；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不同頻率的時鐘域，因此必須加上同步電路以防止寄存器不定態(tài)的產(chǎn)生。
???????????????????????????????? 
??? SDRAM接口與DSP接口不同處是它還有一個標(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控制信號線RAS#、CAS#和WE#的組合。將SDRAM控制器獨立出來可以使得設(shè)計更加模塊化，避免SDRAM端狀態(tài)機(jī)過于龐大[3]。
2.3 DSP/SDRAM接口的實現(xiàn)
??? 主機(jī)訪問DSP時，必須遵守DSP的流水線協(xié)議，其中重要的是讀寫時的流水深度：讀操作時流水深度始終為四個周期，寫操作時流水深度始終為一個周期。主機(jī)執(zhí)行來自或去往DSP的突發(fā)操作時，支持超過四字的連續(xù)突發(fā)操作。當(dāng)主機(jī)發(fā)出突發(fā)首地址，只要BRST#信號有效，DSP就在內(nèi)部對地址累加。首次傳送的起始地址和最后一次傳送的結(jié)束地址必須四字對齊。這里只支持DSP端4字突發(fā)。
??? SDRAM的訪問協(xié)議很常見，限于篇幅，不再贅述。
??? 每次主機(jī)開始訪問DSP/SDRAM時，PCI局部端使用LHOLD和ADS#來啟動一次傳輸，LWR＝0表明是讀過程。局部端狀態(tài)機(jī)向DSP/SDRAM端狀態(tài)機(jī)發(fā)出start命令。開始時Cache為空，而且DSP/SDRAM提供數(shù)據(jù)要超過一段時間，所以在讀操作的開始階段要無效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信號后，開始從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，都會直接從這個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將被無效，以使當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳送等待。一旦LHOLD信號無效（當(dāng)前這段PCI傳送結(jié)束）或是局部端地址不連續(xù)了（局部端有一個地址寄存器，它標(biāo)志Cache中下一個數(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。讀SDRAM的同時開啟一個定時器，一定的時間間隔內(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的操作過程因為有Cache的存在顯得很簡單[4]。因為局部端和DSP/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始往Cache中分別寫入地址和數(shù)據(jù)（兩者是一一對應(yīng)的）。局部端狀態(tài)機(jī)在寫的過程中，根據(jù)PCI9656的blast#信號來判斷單次還是突發(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)后開始申請DSP共享總線，按照協(xié)議規(guī)定的時序要求將數(shù)據(jù)寫到DSP/SDRAM中。對DSP的寫操作就像寫SRAM一樣簡單方便；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到了頁末時必須及時發(fā)出預(yù)充電命令，防止地址錯誤地回轉(zhuǎn)到頁首；另外每次寫完SDRAM后同樣發(fā)出預(yù)充電命令，關(guān)閉本頁，防止在同一個Bank內(nèi)打開兩頁。
2.4 DSP/SDRAM接口性能
??? 33MHz、32位的PCI總線理論極限速度是132MB/s，實際速度要有一些折扣。由于FPGA訪問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)無其他任務(wù)，重復(fù)訪問DSP內(nèi)部一段64KB數(shù)據(jù)的測試環(huán)境下，接口的DMA讀速度有90MB/s，DMA寫有38MB/s。與此同時，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接口訪問速度基本相同，但是在Bittware的設(shè)計里，主機(jī)要訪問SDRAM，必須要借助DSP的SDRAM控制器，占用DSP的一個FLYBY通道，會影響DSP的正常運轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)提供了一個主機(jī)直接訪問SDRAM的接口。
??? 本文首先提出了一個通用DSP系統(tǒng)的設(shè)計方案，主要給出了FPGA在系統(tǒng)中的位置和作用。然后簡要介紹了FPGA的各個功能模塊，著重針對DSP和SDRAM接口進(jìn)行了討論，針對數(shù)據(jù)寬度和時鐘速率不匹配的特點，提出雙狀態(tài)機(jī)+Cache的設(shè)計結(jié)構(gòu)，給出相應(yīng)的FPGA設(shè)計框圖和設(shè)計思路。比較國際上知名的其他板卡，本系統(tǒng)的DSP接口的訪問速度已經(jīng)達(dá)到了較高水平；一個高訪問速率的主機(jī)接口的建立，可以使得系統(tǒng)運行中的主機(jī)控制DSP過程盡可能少地影響DSP系統(tǒng)的運行。而一個高訪問速率的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，這一點在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和雷達(dá)信號處理中尤其有用。該設(shè)計已經(jīng)被應(yīng)用于某大型信號處理系統(tǒng)，取得了良好的效果。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉書明，羅勇江.ADSP TS20XS系列DSP原理與應(yīng)用設(shè)計.北京：電子工業(yè)" title="電子工業(yè)">電子工業(yè)出版社，2007.
[2] GOLSON S.State machine design techniques for Verilog?and VHDL.Synopsys Journal of High-Level Design，1994，(9)：1-48.
[3] Altera.SDR SDRAM Controller White Paper V1.1.2002，5.
[4] 楊宗凱.數(shù)字專用集成電路的設(shè)計與驗證.北京：電子工業(yè)出版社，2004.