基于USB協議的DSP高速上位機接口設計

摘要：彈載信號處理機的DSP系統需要高速、簡便的上位機接口實現大數據量的變量實時監控和在線程序加載功能。USB接口以其簡單、高速與通用的優勢成為優選。介紹一種基于USB接口芯片(CY7C68013A)和FPGA實現的ADSP-TS101擴展USB接口的設計方法，該方法利用DSP的Link-port接口，以DMA方式進行高速數據交換，目前該設計已成熟、可靠地應用于某彈載信號處理系統。
關鍵詞：USB；DSP Linkport；PC機接口；高速數據交換

0 引言
ADI公司的DSP器件(ADSP-TS101)具有浮點實時處理能力強、并行性好等優點，從而廣泛被彈載信號處理系統選用。其作為彈載主處理器，在導彈的系統試驗中，需要利用上位機對其中的大數據量的軟件變量進行實時監控和記錄，這就需要一個上行傳輸給上位機的高速通信接口，數據上行的數據率需要大于6 MB／s。同時這個通信接口還需具有雙向特性，通過數據下行可實現在線程序加載與燒寫。這樣的通信接口，還需具備設備連接簡單、通用性強等特性，并能實現遠程(大于3m)數據傳輸。
ADSP-TS101自身的外總線接口和鏈路口(Linkport接口)，雖速度很快，但連接復雜，難以長線傳輸，并不具備上述需求特征。可以通過在DSP的Linkport總線接口上增加FPGA實現的適配電路，擴展USB 2．0接口，實現上述應用需求。下文將介紹具體的實現方案。

1 系統總體方案
系統實現的總體方案如圖1所示。

在本方案中，USB接口芯片選用Cypress公司的CY7C68013A。該芯片是Cypress公司FX2系列USB 2．0集成微控制器之一。集成了USB 2．0收發器、SIE、增強8051微控制器和GPIF，是一種優秀的高速USB外設控制器。內置的8051微控制器獨立于USB數據通道，由SIE實現大部分USB 1．1和USB 2．0協議；USB FIFO和外部從FIFO映射到相同的8個512 B RAM模塊，實現內部傳輸和外部傳輸的無縫連接，可以較低的代價獲得較高的帶寬；8．5 KB內部RAM空間，可運行較為復雜的固件，實現軟件對硬件的配置。GPIF是由用戶可編程有限狀態機驅動的柔性8／16位并行口，可編程GPIF向量組成一個GPIF波形，匹配受控接口的時序。
ADSP-TS101作為彈載主DSP芯片，含4個鏈路口，每個鏈路口可在時鐘雙沿以8位進行雙向數據傳輸，速率高達250 MB／s。通過該接口，DSP每個處理幀將預觀測的變量結果以DMA的方式打包向上位機發送。
FPGA實現ADSP-TS101的Linkport接口與CY7C68013A之間的雙向數據緩沖和接口協議轉換。考慮到CY7C68013A中的FIFO容量較DSP的一個處理幀預發送或接收的數據量較小，故在FPGA中設置上行和下行各一個大容量FIFO，用于數據緩沖，以減少對DSP中并行流水運行的程序的打擾。這里，由于DSP鏈路口的瞬時數據率遠高于USB芯片的傳輸速率(理論上限為60 MB／s)，故FIFO的DSP端口的數據傳輸為：一個處理幀只操作一次，而USB芯片端則分成多次操作。
限于篇幅，下文將重點對傳輸數據率要求高、設計難度大的上行通道的設計進行詳細描述。