基于DSP和PCI總線的通用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)

　　在信號(hào)處理系統(tǒng)中一般采用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采用微機(jī)軟件處理的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，采用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。由于PC機(jī)的CPU采用的是馮?諾依曼存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，并不適用于數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算，若完全使用PC機(jī)處理數(shù)字信號(hào)不僅造成處理速度慢，影響PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的管理，還會(huì)影響信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此，提出一種方案把數(shù)字信號(hào)處理部分從PC機(jī)軟件中分離出來(lái)交給DSP處理，DSP處理完畢后再把數(shù)據(jù)交還PC機(jī)進(jìn)行管理。這樣充分利用DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)高速處理的優(yōu)勢(shì)，提高信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。本文以TMS320VC5402 DSP為例，給予說(shuō)明。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 PCI接口芯片PCI9052

　　PCI9052是一款面向低端應(yīng)用的高性能、工作在目標(biāo)(從)模式的PCI接口芯片，支持PCI 2.1總線規(guī)范。該芯片的局部總線可以通過(guò)編程設(shè)置為8／16／32位的(非)復(fù)用總線，且局部總線時(shí)鐘與PCI總線時(shí)鐘相互獨(dú)立運(yùn)行，便于高、低速設(shè)備的兼容，并可支持相對(duì)慢的局部總線在PCI總線上的突發(fā)傳輸速率達(dá)到132 Mb／s。同時(shí)，PCI9052提供5個(gè)本地地址空間和4個(gè)本地地址片選，基址和地址范圍可由串行E2PROM編程設(shè)置。選擇PCI9052作為PCI-DSP橋可以降低PCI總線開發(fā)的難度，增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1.2 DSP的HPI通信協(xié)議

　　TMS320VC5402 DSP具有8位的增強(qiáng)型HPI接口，其專門用于DSP與其他總線或CPU進(jìn)行通信。主機(jī)是通過(guò)HPI控制寄存器(HPIC)，地址寄存器(HPIA)，數(shù)據(jù)寄存器(HPID)訪問(wèn)DSP的片內(nèi)RAM，從而實(shí)現(xiàn)與DSP通信的。DSP只能訪問(wèn)HPIC。HPI寄存器的選擇由HCNTL[1：0]腳在PCI總線地址有效期實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明如表1所示：

　　在主機(jī)訪問(wèn)DSP片內(nèi)RAM過(guò)程中，主機(jī)首先根據(jù)訪問(wèn)類型對(duì)HPIC寄存器進(jìn)行初始化操作，然后再對(duì)HPIA寄存器進(jìn)行操作，將要訪問(wèn)存儲(chǔ)單元的地址寫入HPIA，最后對(duì)HPID寄存器進(jìn)行讀寫操作，此刻HPID寄存器的內(nèi)容為HPIA指定存儲(chǔ)器的內(nèi)容，這樣便實(shí)現(xiàn)主機(jī)和DSP的一次通信過(guò)程。

1.3 DSP與PCI的接口設(shè)計(jì)

　　DSP與PCI的接口是實(shí)現(xiàn)DSP與主機(jī)進(jìn)行通信的關(guān)鍵。由于TMS320VC5402 DSP的HPI口是8位并口，所以PCI9052局部總線設(shè)定為8位非復(fù)用總線模式，并將其LAD[7..0]與DSP的HD[7..0]連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線的連接。接口電路如圖1所示。在8位總線模式下，LBE[1：0]分別對(duì)應(yīng)于地址的LA[1：0]，將LBE0與HBIL相連，用于區(qū)分當(dāng)前傳輸?shù)氖堑?字節(jié)還是第2字節(jié)。LA[3：2]分別與HCNTL[1：0]相連，用于選擇HPI寄存器。利用PCI9052芯片的讀寫控制信號(hào)LBE0#，LBE1#，LW／R，LRDY#和部分地址信號(hào)LA[3：2]經(jīng)過(guò)CPLD進(jìn)行時(shí)序和邏輯轉(zhuǎn)換便可生成HPI口的控制信號(hào)HBIL，HC-NTL0，HCNTL1，HDS1#，HR／W#。HPIENA腳接“1”表示選用HPI模塊。這樣PCI9052就可在地址有效期決定訪問(wèn)哪個(gè)HPI寄存器，實(shí)現(xiàn)DSP與PCI的通信。

1.4 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

　　如圖2所示系統(tǒng)電路主要由3部分組成：第一部分是PCI9052與PCI插槽間的信號(hào)連接電路，包括地址數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)AD[31：：0]；總線命令信號(hào)C／BE[3：：0]#；接口控制信號(hào)FRAME#，TRDY#，IRDY#，STOP#；IDSEI#，DEVSEL#，錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)PERR#，SERR#；系統(tǒng)信號(hào)CLK，RST#。這些信號(hào)是局部總線設(shè)備保證與PCI總線正確通信的必要信號(hào)。第二部分是和串行E-2PROM的信號(hào)連接電路，E2PROM內(nèi)存儲(chǔ)的是用于PCI加載的配置信息，這些信息在PCI9052硬件復(fù)位時(shí)的正確加載是保證PCI局部總線設(shè)備正常工作的前提。第三部分是PCI9052與DSP HPI接口的信號(hào)連接電路，包括數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制信號(hào)線、中斷信號(hào)線等。此外該系統(tǒng)還可根據(jù)DSP的其他功能擴(kuò)展相應(yīng)的外設(shè)電路。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 PC機(jī)與DSP通信驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　PC機(jī)上應(yīng)用軟件不能直接對(duì)底層硬件進(jìn)行訪問(wèn)，為實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與DSP的通信還應(yīng)編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。WDM(Windows Driver Model)是NT3.51和NT4.0內(nèi)核模式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型的擴(kuò)展形式，是一種PnP驅(qū)動(dòng)程序，能在Windows 98，Windows 2000和Windows XP間實(shí)現(xiàn)源代碼級(jí)兼容。為了便于在多操作系統(tǒng)中均能應(yīng)用本系統(tǒng)，需編寫WDM驅(qū)動(dòng)程序。

　　在PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中主要是完成PCI設(shè)備的內(nèi)存、端口的讀寫功能和中斷處理功能。若采用DDK開發(fā)，需要軟件人員對(duì)計(jì)算機(jī)底層知識(shí)熟悉、開發(fā)難度大、為簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，可以使用NuMega推出的DriverStudio設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具包。通過(guò)DriverStudio開發(fā)者很容易生成驅(qū)動(dòng)程序框架，同時(shí)，DriverStudio與VC++有很好的接口。生成的驅(qū)動(dòng)框架可以在Microsoft VC++6.0環(huán)境下添加驅(qū)動(dòng)代完成驅(qū)動(dòng)編寫。驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

(1)設(shè)備初始化

　　PCI設(shè)備的硬件資源由PCI配置機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分配，由PCI設(shè)備實(shí)現(xiàn)PCI配置寄存器，提出需要配置的硬件資源，驅(qū)動(dòng)程序只有獲取這些資源才能對(duì)硬件進(jìn)行操作。設(shè)備初始化環(huán)節(jié)使PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)識(shí)別PCI器件，尋址PCI器件的資源。如果m_MemoryRange0，m_IoPortRange1分別為KMemoryRange類、KIoRange類的實(shí)例，則初始化操作可通過(guò)調(diào)用其成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

(2)端口操作

　　對(duì)于X86處理器I／O空間是一個(gè)64 B的尋址空間。當(dāng)初始化完畢后，可直接調(diào)用KIoRange類成員函數(shù)對(duì)端口進(jìn)行操作。如從端口讀／寫一個(gè)雙字?jǐn)?shù)據(jù)可調(diào)用成員函數(shù)ind()，Outd()實(shí)現(xiàn)。

(3)內(nèi)存操作

　　對(duì)于X86處理器內(nèi)存地址空間可達(dá)到4 GB。對(duì)內(nèi)存操作同樣可以通過(guò)調(diào)用KMemoryRange類成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)。如從內(nèi)存讀、寫一個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)可調(diào)用成員函數(shù)inw()，outw()實(shí)現(xiàn)。

(4)中斷操作

　　在本系統(tǒng)中的PCI中斷是由PCI設(shè)備發(fā)出的要求上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的中斷請(qǐng)求，中斷服務(wù)程序要完成的功能是上位機(jī)從DSP的片內(nèi)RAM中讀取數(shù)據(jù)。對(duì)硬件的中斷處理可通過(guò)調(diào)用KInterrupt類的相關(guān)成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　此函數(shù)完成了初始化中斷類實(shí)例操作并實(shí)現(xiàn)了與中斷服務(wù)例程的連接。驅(qū)動(dòng)程序安裝好以后，在應(yīng)用程序中調(diào)用Create-File()函數(shù)打開設(shè)備，通過(guò)調(diào)用API函數(shù)De-viceloControl就可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與DSP之間的通信。

2.2 下位機(jī)軟件

　　下位機(jī)軟件為運(yùn)行在DSP內(nèi)的客戶端程序。該軟件主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并按照用戶的要求進(jìn)行處理，并把計(jì)算結(jié)果返回給上位機(jī)或根據(jù)計(jì)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)其他外設(shè)工作。該軟件的核心部分為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的算法，應(yīng)按照數(shù)據(jù)處理的具體要求選用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)。軟件的設(shè)計(jì)思想是：在系統(tǒng)復(fù)位后，首先對(duì)DSP進(jìn)行初始化設(shè)置，如設(shè)置工作頻率為100 MHz，設(shè)置狀態(tài)寄存器ST0，ST1，設(shè)置軟件等待狀態(tài)寄存器等，以使DSP工作在最優(yōu)狀態(tài)。上位機(jī)在向下位機(jī)發(fā)送完畢數(shù)據(jù)后對(duì)DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求，DSP立刻響應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)數(shù)據(jù)處理完畢后，DSP再將數(shù)據(jù)的處理結(jié)果送還給上位機(jī)，結(jié)束本次中斷服務(wù)，程序返回到斷點(diǎn)處，直至下一次中斷的到來(lái)。軟件流程圖如圖3所示。

3 DSP系統(tǒng)的自舉加載(BootLoader)

　　DSP系統(tǒng)的自舉加載目的是使系統(tǒng)上電后程序代碼能從外部存儲(chǔ)介質(zhì)引導(dǎo)裝載到DSP內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器中脫機(jī)運(yùn)行。自舉加載的實(shí)現(xiàn)方式常用的有外部并行自舉加載和HPI自舉加載兩種。

　　由于主機(jī)可以通過(guò)HPI口訪問(wèn)DSP的片內(nèi)RAM資源，所以下位機(jī)程序可以在系統(tǒng)上電復(fù)位的時(shí)候通過(guò)上位機(jī)加載到DSP中。采用自舉加載模式，在硬件上需要將DSP的INT2腳與HPI的中斷輸出HINT腳相連，以保證在系統(tǒng)復(fù)位后選擇HPI加載模式，通信原理和前面講述的方法一致。在加載過(guò)程中，上位機(jī)首先將程序搬移到DSP的片內(nèi)RAM，然后再將程序的人口地址寫到DSP的數(shù)據(jù)空間007FH內(nèi)，DSP一旦監(jiān)測(cè)到007FH處的數(shù)據(jù)不再為0即判斷為代碼轉(zhuǎn)移完畢，并跳轉(zhuǎn)到007FH里存放的地址去執(zhí)行，從而完成啟動(dòng)。采用HPI加載方式不僅免去了外接E2PROM或FLASH等掉電非易失性存儲(chǔ)器件，而且可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理要求不同載入不同的下位機(jī)程序，從而簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，增加使用的靈活性，是本系統(tǒng)理想的自舉加載模式。

4 結(jié)語(yǔ)

　　本文所設(shè)計(jì)的方案已經(jīng)成功應(yīng)用于筆者開發(fā)的激光掃描系統(tǒng)中。實(shí)踐證明，該方案所用硬件簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠。本系統(tǒng)由于具有高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音處理、數(shù)字加密、圖像處理、多路數(shù)據(jù)采集處理等領(lǐng)域，可升級(jí)能力強(qiáng)，具有很廣闊的應(yīng)用前景。