基于DSP的存儲器共享與快速訪問技術(shù)設(shè)計

本文介紹了在多個DSP之間或者DSP與其他CPU之間存儲器共享技術(shù)的基本設(shè)計方法，重點介紹了如何在設(shè)計上提高存儲器的訪問速度和克服訪問競爭的方法。
在多任務(wù)信號處理系統(tǒng)中，為了提高信號的處理速度，往往使用幾個DSP協(xié)同工作，為此，必須要解決好幾個DSP對共享存儲器的高速訪問問題。具體來說，主要要解決好兩個問題：
　　
（1）通過建立競爭仲裁機制解決存儲器訪問共享競爭問題；
（2）解決批量數(shù)據(jù)高速訪問問題。DSP對批量數(shù)據(jù)的訪問一般都是通過啟動DMA完成，而DMA一旦啟動，數(shù)據(jù)的傳輸就不受DSP控制，因此，要設(shè)計專門控制電路和緩沖區(qū)來確保高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

本文重點介紹了兩個TMS320C5402之間共享SRAM和DDRSDRAM的設(shè)計方法。

1　SRAM的共享訪問
　　
圖1是2片TMS320C5402共享SRAM的原理圖。為了保證對SRAM訪問的可靠性，2片DSP共用同一個系統(tǒng)時鐘和具有相同的訪問優(yōu)先級。當(dāng)2片DSP同時對共享存儲器發(fā)出訪問需求時，F(xiàn)PGA中的共享仲裁控制邏輯會在第1個存儲器訪問周期允許第1片DSP對SRAM進行訪問，同時向第2片DSP發(fā)出READY等待信號，然后在下一個存儲器訪問周期撤銷該等待信號，允許第2片DSP對SDRAM進行訪問。如果進行批量數(shù)據(jù)傳輸，則2片DSP對應(yīng)的READY信號會交替啟動。FPGA中的2個雙向緩沖器是互相禁止的。另外，在DSP的軟件編程時要注意，在軟件等待周期寄存器被寫入后至少要等待2個時鐘周期DSP才會啟動對READY信號的檢測。

2　DDRSDRAM的高速共享訪問
　　
在上述方式中，如果2片DSP同時要對共享存儲器進行訪問，其訪問速度將會降低一倍。在實際的信號處理系統(tǒng)中，特別是在連續(xù)視頻信號的編碼、壓縮與速訪問，如果采用大容量雙口RAM，其硬件成本開銷太大?，F(xiàn)在PC機中大量使用的雙速數(shù)據(jù)同步動態(tài)存儲器（Double Data Rate Synchronous，DRAM）具有存儲容量大、訪問速度快、價格低廉等特點，因此在大容量高速數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，只要解決好對DDRSDRAM的讀寫訪問控制問題，就能解決好大容量高速存儲器的共享訪問問題。

2．1　DDRSDRAM的讀寫訪問特性
　　
圖2為現(xiàn)代公司的HY5DV651622雙速同步動態(tài)存儲器的功能框圖。其存儲容量為8 Mb，數(shù)據(jù)寬度為16 B，分為4個頁面，采用行列地址復(fù)用方式。在時鐘的上升和下降沿均可以進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。對DRAM的控制包括命令控制和數(shù)據(jù)讀寫控制，在命令控制中主要包括模式寄存器設(shè)置、存儲器自動刷新控制等，通過模式寄存器的設(shè)置可以使存儲器工作于猝發(fā)讀寫方式，讀寫長度可以達到256個地址。　

2．2　共享DDRSDRAM的工作過程
　　
為了保證DSP對SDRAM大數(shù)據(jù)量訪問的高效性，將SDRAM設(shè)置為猝發(fā)讀寫模式，DSP設(shè)置為DMA方式，在FPGA中設(shè)置容量均為128 b的SRAM緩沖區(qū)B0和B1做為數(shù)據(jù)緩存區(qū)，從SDRAM中輸出的數(shù)據(jù)或輸入至SDRAM的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過B0和B1，通過控制寄存器的設(shè)置將B0和B1都映射到2片DSP中地址為FF00H到FF80H的數(shù)據(jù)區(qū)間，但同一時刻1片DSP只能訪問B0或B1中的1個。

在實際工作中，當(dāng)一片DSP訪問B0時，另一片DSP或SDRAM訪問B1；相應(yīng)地當(dāng)一片DSP訪問B1時，另一片DSP或SDRAM則訪問B0。如果SDRAM和DSP同時向同一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B0或B1寫入或讀出數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA會自動禁止，并通過控制寄存器向DSP傳遞數(shù)據(jù)讀寫狀態(tài)錯誤信息。這種數(shù)據(jù)傳遞方式不僅加速了DSP對數(shù)據(jù)的訪問速度，而且解決了DSP和SDRAM之間時鐘頻率不同步問題，不用像圖1那樣讓2片DSP共享同一個時鐘。SDRAM與雙DSP的接口如圖3所示。　

　　
具體來說，DSP對SDRAM的訪問分以下兩種情況：
　　
（1）同時只有1片DSP對SDRAM訪問　此時B0，B1均屬于該DSP所有，以讀數(shù)據(jù)為例，首先DSP將需要對SDRAM訪問的首末地址通過控制寄存器寫入FPGA，并且設(shè)置B0，B1為空的標(biāo)志，然后起動數(shù)據(jù)傳送命令，F(xiàn)PGA在收到該命令后讀入128字入B0，并設(shè)置B0的標(biāo)志為滿，隨后再讀入128字入B1，并設(shè)置B1的標(biāo)志為滿；接著判斷B0的標(biāo)志是否為空，若為空則讀出128字入B0，并設(shè)置B0的標(biāo)志為滿，否則等待直到B0的標(biāo)志為空，判斷B1的標(biāo)志是否為空，若為空則讀出128字入B1，并設(shè)置B1的標(biāo)志為滿，否則等待直到B1的標(biāo)志為空。如此反復(fù)，直到讀取數(shù)據(jù)結(jié)束或收到數(shù)據(jù)讀取結(jié)束命令為止。對DSP來說，他在發(fā)出起動數(shù)據(jù)傳送命令后，判斷B0標(biāo)志是否為滿，若為滿，則起動DMA讀取該128字，讀取結(jié)束后設(shè)置B0的標(biāo)志為空，然后用同樣的方法去讀取B1中的數(shù)據(jù)。如此反復(fù)直到將規(guī)定的數(shù)據(jù)讀取完畢為止。

（2）2片DSP同時對SDRAM訪問　與單片DSP的訪問方法類似，通過B0、B1及相應(yīng)的標(biāo)志位設(shè)定完成數(shù)據(jù)的訪問。

2．3　共享DDRSDRAM的讀寫訪問邏輯設(shè)計
　　
DSP提供下列信號給外部存儲器用以完成外部控制：CLK，CS，A0～A15，D0～D15，R／W，MSTRB，ISTRB和IS，但是DDRSDRAM使用的控制信號為：CLK，／CLK，CKE，／CS，／RAS，／CAS，／WE，數(shù)據(jù)總線DQ0～DQ15和地址總線A0～A11。由于控制信號的不同，因此在DSP和SDRAM的接口電路中需要用邏輯電路根據(jù)DSP的命令產(chǎn)生SDRAM的控制信號。正是由于接口電路的這種復(fù)雜性，在設(shè)計SDRAM和DSP的接口過程中才需要用FPGA來完成。

從圖3可以看到，F(xiàn)PGA的控制主要包含3個部分：控制寄存器接口、緩沖區(qū)接口和SDRAM控制接口。
　　
（1）控制寄存器接口　主要包括對DSP地址信號和控制信號的解碼；SDRAM的讀寫模式選擇；B0和B1的地址、數(shù)據(jù)的切換選擇及標(biāo)志控制；讀寫首末地址的設(shè)置等。
　　
（2）緩沖區(qū)接口　主要代表2個緩沖區(qū)B0和B1的相關(guān)信號產(chǎn)生，主要有：讀寫信號；地址信號（ADDR［6－0］）；數(shù)據(jù)輸入輸出信號（DATA－IN［15－0］和DATA－OUT［15－0］）等。
　　
（3）SDRAM控制接口　產(chǎn)生SDRAM的控制信號、地址信號與數(shù)據(jù)總線信號，完成SDRAM的3項功能：刷新、讀、寫。其中讀、寫主要通過猝發(fā)方式進行。由于SDRAM是動態(tài)RAM，為了防止數(shù)據(jù)丟失，必須對其進行動態(tài)刷新。在SDRAM控制接口部分設(shè)計了專門的刷新電路來完成這項功能。

3　結(jié) 論

由于FPGA內(nèi)的SRAM訪問速度可以達到10 ns以上，而DDRSDRAM的訪問速度比普通的SDRAM快一倍，因此，在采用DDRSDRAM實施存儲器共享后，不僅大大節(jié)省了系統(tǒng)成本，而且通過提高FPGA對DDRSDRAM的訪問速度后，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的訪問速度并沒有受到影響，可以達到100 Mb/s以上。