基于FPGA實現(xiàn)DSP與Rapid IO網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)系統(tǒng)

1 引言

隨著通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量日益增大，過去總線形式的體系結(jié)構(gòu)逐漸成為約束處理能力進一步提升的瓶頸。本文首先簡單介紹了嵌入式設(shè)計中總線結(jié)構(gòu)的演化過程，從而引出新一代點對點串行交換結(jié)構(gòu)RapidIO。

在密集型實時信號處理應(yīng)用中，DSP 由于其本身結(jié)構(gòu)特點具有不可替代的位置。但是遺憾的是目前很多DSP不具有RapidIO 接口，而且也沒有ASIC 能夠為這些DSP提供RapidIO接口。為了在RapidIO 網(wǎng)絡(luò)中充分利用DSP 數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，我們采用FPGA 做一個轉(zhuǎn)接橋邏輯，將DSP 的總線連接到一個RapidIO 的IP 核，從而實現(xiàn)DSP 和RapidIO 網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

2 總線結(jié)構(gòu)概述

2.1 總線結(jié)構(gòu)的演化

高速通信和超快速計算的需求日益增大，使得多處理器以及各種外部設(shè)備協(xié)同工作才能滿足實時快速的要求。傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，這些處理器、處理器簇、外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交互是基于并行的共享總線方式進行。從單分段總線到級聯(lián)的多分段總線，這些基于共享總線的體系結(jié)構(gòu)中，所有的設(shè)備通訊競爭帶寬，這樣交互數(shù)據(jù)成為了整體系統(tǒng)性能的瓶頸。不僅如此，并行總線所需要的大量IO 引腳也給系統(tǒng)的電器性能和機械性能帶來相當?shù)目简?。因此，提高系統(tǒng)性能就迫切需要一種新的體系結(jié)構(gòu)。

目前新型的體系結(jié)構(gòu)是基于點對點串行交換結(jié)構(gòu)的體系。相比傳統(tǒng)的并行共享總線結(jié)構(gòu)，串行交換結(jié)構(gòu)中的兩個端點交互數(shù)據(jù)不影響其他端點之間的數(shù)據(jù)交互，從而大大提高了系統(tǒng)帶寬，除此之外，串行交換結(jié)構(gòu)所需要的引腳也大大減少了，而且串行結(jié)構(gòu)采用的差分線連接也提高了信號傳輸?shù)木嚯x和可靠性。當前流行的串行交換結(jié)構(gòu)主要有PCI-Express，InfiniBand，RapidIO 等。這些總線結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍既有交叉有各有側(cè)重。

2.2 RapidIO 交換結(jié)構(gòu)

RapidIO 互連架構(gòu)，它的設(shè)計與最流行的集成通信處理器、主機處理器以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號處理器相兼容，是高性能包交換互連技術(shù)。它滿足了高性能嵌入式系統(tǒng)行業(yè)對內(nèi)部系統(tǒng)互連的需求，包括可靠性、高帶寬和更快的總線速率。相比PCI、PCI-X、PCIE 和Infiniband來說，RapidIO 主要特性是具有極低的延遲性和高帶寬，并很容易實現(xiàn)和PCI、PCI-X、PCIE、FPDP、以太網(wǎng)等的橋接，適合用于芯片與芯片、板與板、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 工程背景

多片 DSP 形成處理器簇，共同完成快速實時的運算已經(jīng)成為現(xiàn)代信號處理機一種流行的方式。但是目前大多數(shù)DSP 都不具備RapidIO 接口，所以我們采用FPGA，將DSP 的總線與一個RapidIO IP 核總線相連接，實現(xiàn)DSP 與RapidIO 網(wǎng)絡(luò)的通信。

3.2 芯片選型

我們選用 Analog 的TigerShark101（以下簡稱TS101） DSP， ADSP-TS101S 是TigerSHARC 處理器系列中的首款器件。FPGA 選用Altera 的Stratix II GX 60 芯片。

Altera 的RapidIO 的IP 核兼容于2005 年2 月發(fā)布的RapidIO 互連標準1.3，實現(xiàn)了3種標準速度1.25G、2.5G、3.125G 下1x/4x 的物理層協(xié)議。同時，Altera 公司的SOPC 工具提供了大量的成熟的IP 核和可裁剪的Avalon 總線，方便的幫助用戶實現(xiàn)模塊化設(shè)計。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將 TS101 的總線橋接到FPGA 的Avalon 總線上。其中，DSP 芯片是用來做大量的數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA 是DSP 和RapidIO 之間通訊的橋梁。FPGA 內(nèi)的RapidIO 接口有成熟的IP 核，將DSP 和RapidIO 的IP 核連接的關(guān)鍵在于實現(xiàn)DSP 外部總線到IP 核Avalon 總線的轉(zhuǎn)換。

TS101 內(nèi)部有一個寄存器SYSCON，用來控制外部端口、主機接口、多處理器接口的數(shù)據(jù)位寬、插入的等待周期、流水線深度等設(shè)置。由于這個寄存器在上電后只能修改一次，這里我們將外部端口配置位32 位的慢速協(xié)議，完成RapidIO 的維護，門鈴等事務(wù)；將主機接口配置位64 位的流水線協(xié)議，完成高速的IO 事務(wù)。通過轉(zhuǎn)接橋邏輯的轉(zhuǎn)換。

4 轉(zhuǎn)接橋設(shè)計

4.1 轉(zhuǎn)接橋總體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)接橋邏輯為 TS101 總線接口與Avalon 總線接口轉(zhuǎn)換器，由四個模塊及輔助電路構(gòu)成。

圖1 轉(zhuǎn)接橋總體結(jié)構(gòu)

4.2 總線模式控制電路

總線模式控制電路完成根據(jù)系統(tǒng)請求情況切換 TS101 總線端地址、數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的控制信號的輸入輸出方向、功能及狀態(tài)。其中需要控制的部分包括：數(shù)據(jù)總線的輸入輸出方向連接及模式控制，地址總線的輸入輸出方向連接及模式控制，TS101 的讀控制信號的輸入輸出方向連接及模式控制，TS101 的寫控制信號的輸入輸出方向連接及模式控制，TS101 的ACK 信號的輸入輸出方向連接及模式控制。另外，該模塊中還完成一些控制信號的連接。

4.3 Host Master 模塊

圖2 Host Master模塊設(shè)計

Host_Master 模塊完成在系統(tǒng)工作于TS101 側(cè)控制模式時對Avalon 總線進行讀寫的總線時鐘切換和相關(guān)部分工作時的控制。它大致可分為四部分完成：

1. 數(shù)據(jù)讀寫控制產(chǎn)生電路在數(shù)據(jù)寫時根據(jù)輸入管腳中的片選信號、寫信號，將DSP 要寫入Avalon 總線的地址及數(shù)據(jù)寫入host_address_fifo 中。當是數(shù)據(jù)讀時，根據(jù)輸入管腳中的片選信號、讀信號，將DSP 要寫入Avalon 總線的地址寫入host_addrfifo 中，同時產(chǎn)生數(shù)據(jù)讀等待信號，當從host_readdata_fifo 總線讀到數(shù)據(jù)后，該電路撤銷讀等待信號，并將得到的數(shù)據(jù)送入TS101 的數(shù)據(jù)總線。

2. host_address_fifo 模塊完成在TS101 控制系統(tǒng)總線時，DSP 接口時鐘到Avalon 總線地址及寫入數(shù)據(jù)的換時鐘控制。

3. host_readdata_fifo 模塊完成在TS101 控制系統(tǒng)總線時，Avalon 總線到DSP 接口總線的讀入數(shù)據(jù)的換時鐘控制。

4. 數(shù)據(jù)讀控制狀態(tài)機電路部分完成TS101 的讀控制信號的產(chǎn)生，以及讀到的數(shù)據(jù)信號的存儲控制。

4.4 Avalon Master 模塊

Avalon_Master 模塊設(shè)計一個狀態(tài)機控制電路，完成在Avalon 總線上的地址、Byteenable、讀寫控制信號、讀數(shù)據(jù)信號和寫數(shù)據(jù)信號的產(chǎn)生與控制處理。同時還有等待讀數(shù)據(jù)到來以及讀數(shù)據(jù)確認工作。

4.5 Avalon Slave 模塊

圖3 Avalon Slave 模塊

Avalon_Slave 模塊是一個Avalon 總線的從設(shè)備，它可接收Avalon 總線上其它主設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)寫請求、數(shù)據(jù)讀請求，同時將從通過Host 接口讀到的數(shù)據(jù)按相應(yīng)的總線規(guī)則送到數(shù)據(jù)總線上，同時產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效信號。由于這里的設(shè)計采用可變讀等待設(shè)計，同時還需要完成對TS101 數(shù)據(jù)讀取換鐘轉(zhuǎn)換。該模塊主要由以下三部分構(gòu)成：

1. ts101_slave_address_fifo 模塊模塊完成在Avalon 總線上的主設(shè)備控制系統(tǒng)總線時，Avalon 總線到DSP 總線的地址及寫入數(shù)據(jù)的換時鐘控制。

2. ts101_slave_readdata_fifo 模塊模塊完成在Avalon 總線上的主設(shè)備控制系統(tǒng)總線時，DSP 總線到Avalon 總線的讀入數(shù)據(jù)的換時鐘控制。

3. 數(shù)據(jù)讀控制電路部分完成讀數(shù)據(jù)的確認以及讀值有效信號的產(chǎn)生。

4.6 Host Slave 模塊

Host_Slave 模塊為一個控制狀態(tài)機電路，它根據(jù)Avalon_Slave 模塊提供的信號完成對DSP 的主總線控制請求，帶發(fā)送信號的組織，發(fā)送和接收信號的確認接收，包括產(chǎn)生HBRN信號，并根據(jù)HBGN 信號的狀態(tài)產(chǎn)生讀寫控制信號、讀寫地址信號、寫數(shù)據(jù)信號以及從DSP中讀回待接收的讀數(shù)據(jù)信號。

5 功能測試

目前，Altera 的RapidIO IP 核支持的RapidIO 事務(wù)有：讀操作NREAD 請求和響應(yīng)，寫操作NWRITE 請求，帶響應(yīng)的寫操作NWRITE_R 請求和響應(yīng)，流寫（SWRITE）請求，維護（MAINTENANCE）讀請求和相應(yīng)，維護（MAINTENANCE）寫請求和響應(yīng)，維護（MAINTENANCE）端口寫請求，門鈴（DOORBELL）請求和相應(yīng)。在實際的測試中，將這個電路板和Mercury 公司Ensemble MPQ-101 同時安裝在Silicontkx 的串行RapidIO 開發(fā)平臺上，結(jié)果證實DSP 通過轉(zhuǎn)接橋邏輯控制RapidIO IP 核，已經(jīng)實現(xiàn)了所有的這些事務(wù)。

6 總結(jié)和展望

RapidIO 作為下一代嵌入式互聯(lián)技術(shù)，在國內(nèi)的信號處理平臺上的運用越來越廣泛。但是目前很多處理芯片不具有RapidIO 的接口。利用FPGA可以方便快速定制一個合適的接口，為RapidIO 網(wǎng)絡(luò)增添各種豐富的節(jié)點。同時，本文給出了實現(xiàn)這個轉(zhuǎn)接橋的思路做了詳細討論，這樣不同的DSP，甚至CPU 都可以利用這種思路來接入RapidIO 網(wǎng)絡(luò)。

在目前的設(shè)計中，一個 FPGA 為一個DSP 提供轉(zhuǎn)接橋邏輯，過于浪費FPGA 的資源。在緊接下來的設(shè)計中，我們將4 片DSP 組成一簇接入FPGA，從而提高單板的處理能力，同時提高了FPGA 的利用率。