基于FPDP和VME總線的多DSP通用并行處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3、并行處理系統(tǒng)板極設(shè)計(jì)

3.1 單板結(jié)構(gòu)及功能描述

本文介紹的高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)，其核心子板是多DSP并行處理機(jī)。它包括多DSP模塊、VME總線模塊和FPDP總線模塊。DSP選用TMS320C6701芯片，它是TI公司第一代采用VelociTITM高性能超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)的高性能32位浮點(diǎn)型數(shù)字型號(hào)處理器，其運(yùn)行時(shí)鐘頻率最高可達(dá)167MHz，峰值處理速度可以達(dá)到1GFLOPS和34MMACS的運(yùn)算能力。

它主要包括C6701、SDRAM、FLASH、雙口RAM、數(shù)據(jù)地址緩沖以及DSP附屬的邏輯控制CPLD和實(shí)現(xiàn)兩類總線協(xié)議的FPGA芯片。

多DSP并行處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是實(shí)現(xiàn)多DSP之間的通信控制及數(shù)據(jù)交換。DSP之間的互連結(jié)構(gòu)分為共享總線或共享存儲(chǔ)器的緊耦合連接方式和擁有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而通過(guò)通信口相連的松耦合連接方式。緊耦合連接方式限制整個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的規(guī)模，從而降低系統(tǒng)的擴(kuò)展性。因此，我們采用松耦合連接方式，通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)一主三從DSP之間的通信控制及數(shù)據(jù)交換。

VME和FPDP總線協(xié)議我們采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)。VME總線主要用于各個(gè)DSP的HPI口與上位機(jī)通訊。DSP通過(guò)VME總線采用HPI方式自動(dòng)引導(dǎo)啟動(dòng)，從上位機(jī)下載程序。上位機(jī)可以通過(guò)VME總線對(duì)板上數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。FPDP總線連接至處理機(jī)上的主DSP，包括FPDP/TM和FPDP/RM兩個(gè)功能模塊。我們只需要更改和重新下載FPGA程序，便可以完成DSP處理機(jī)上的FPDP/TM和RM端口配置，以便對(duì)應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重組。此外，用于FPDP通訊的FIFO也用FPGA實(shí)現(xiàn)。

處理機(jī)工作流程如下：系統(tǒng)上電后，4片C6701通過(guò)VME總線從上位機(jī)獲取運(yùn)行程序，并存入各自片內(nèi)程序RAM，準(zhǔn)備響應(yīng)。前板將需要處理的數(shù)據(jù)流通過(guò)FPDP總線發(fā)送至本板FPDP/RM端口的FIFO中并且發(fā)送中斷，主DSP響應(yīng)中斷后從FIFO中讀取數(shù)據(jù)并且完成分配，分別發(fā)送至三個(gè)從DSP的雙口RAM中。從DSP通過(guò)雙口RAM讀取數(shù)據(jù)并且進(jìn)行并行處理，然后將處理完成的數(shù)據(jù)傳回雙口RAM。主DSP再將處理后的數(shù)據(jù)匯總并通過(guò)FPDP/TM端口發(fā)送至后板的FPDP/RM端口。如此循環(huán)，直至所有數(shù)據(jù)都處理完畢。最后主DSP將結(jié)果反饋至上位機(jī)，等待下次命令。

處理機(jī)中，每片DSP都配有一個(gè)256 K×8 bit FLASH芯片。處理機(jī)也可以脫離上位機(jī)單板工作，只需將程序提前下載到FLASH中。

3.2 單板電源設(shè)計(jì)方案

并行處理機(jī)板上需要的電源分為5V、3.3V和1.8V三類。其中5V直接來(lái)自VME機(jī)箱背板。3.3V和1.8V電源通過(guò)板上轉(zhuǎn)換模塊提供。由于本系統(tǒng)中DSP、CPLD和FPGA比較多，功耗也相對(duì)較高，其供電系統(tǒng)品質(zhì)的好壞直接影響到整個(gè)處理機(jī)的工作穩(wěn)定性。另外，并行處理機(jī)上的DSP和FPGA對(duì)其I/O電路和內(nèi)核電路的供電順序也有一定的要求。

　　圖3給出了通用器件所要求的常見(jiàn)的3種電源啟動(dòng)模式：Sequential Startup，即板上先提供1.8V電源然后再提供3.3V電源；Ratiometric Startup，即板上1.8V和3.3V電源同時(shí)以相同比率啟動(dòng)并且同一時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定值；Simultaneous Startup，即板上1.8V和3.3V電源同時(shí)啟動(dòng)。我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中一定要考慮到器件對(duì)供電系統(tǒng)的不同要求，這對(duì)處理機(jī)的穩(wěn)定性具有極其重要的意義。

處理機(jī)上DSP和FPGA要求內(nèi)核電路和I/O電路的供電采用Sequential Startup模式。整板需要5A左右的1.8V和3.3V 電源系統(tǒng)。由此，我們采用TI公司的TPS54614和TPS54616芯片設(shè)計(jì)了處理機(jī)的電源轉(zhuǎn)換模塊。它有體積小，輸出電流大，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。電路原理如圖4所示。TPS54614采用5V輸入，能夠穩(wěn)定提供最大電流為6A的1.8V輸出，TPS54616同樣采用采用5V輸入，能夠穩(wěn)定提供最大電流為6A的3.3V輸出。此電源轉(zhuǎn)換模塊完全滿足整個(gè)信號(hào)處理機(jī)的供電量要求。

在設(shè)計(jì)中，根據(jù)TPS54610系列芯片的特性，我們將TPS54614的PWRGD連接至TPS54616的SS/ENA管腳。系統(tǒng)上電時(shí)，當(dāng)TPS54614輸出電壓低于正常值的90%即1.6V時(shí)，PWRGD為低，抑制TPS54616啟動(dòng)，當(dāng)TPS54614輸出電壓大于1.6V時(shí)，PWRGD變高，啟動(dòng)TPS54616；系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，TPS54614輸出降低到1.6V時(shí)，PWRGD變低，TPS54616才開(kāi)始關(guān)閉。因此保證了DSP、FPGA內(nèi)核電壓供電先于I/O電壓，滿足了系統(tǒng)供電采用Sequential Startup模式的要求。