基于PCI總線的DSP數據運算平臺設計

隨著DSP的性能不斷提高，其應用領域也不斷擴大。由于DSP的硬件結構對于數字信號處理特別適用，同時，PCI總線的高帶寬，動態配置，大的地址空間等諸多特點，使得在PC上PCI總線完全取代ISA總線已經是大勢所趨，目前新一代的主板上面已經幾乎不提供ISA槽。為了科學研究以及實際應用的需要，我們開發了基于PCI總線的DSP數據運算系統，主機程序通過PCI總線與DSP交換數據，可以提供高速實時的數據運算能力。系統可以廣泛的應用在語音處理，數字加密，圖像處理，多路數據流復用等實際應用中。

基于PCI總線的DSP數據運算平臺整個的運作流程是這樣的:PC端運行服務器程序，與DSP上運行的客戶機程序通過PCI總線進行數據交換，通信由程序中設計的信號燈或者硬件中斷。PC端的服務器程序通過PCI總線有訪問整個DSP內部的存儲器內容的能力，將所需要運算的數據送給DSP運算，設置信號燈，當DSP運算完成后則取消信號燈或者中斷主機，主機將運算完的數據取回。所需要解決的問題主要有：

* PCI接口芯片的選擇；

* PCI與DSP的接口設計；

*DSP系統的自舉裝入（BootLoad）；

* 主機與DSP通信驅動軟件的編制。

目前PCI接口卡的設計一般有兩種方法，第一種是基于將PCI接口完全集成到ASIC中，這樣做的好處是集成度高，量產的生產成本低，直接用成熟的IP核，但是對于普通的開發者來說購買現成的PCI控制器的IP的價格昂貴,難以接受。當然也可以自己根據PCI協議在FPGA中實現PCI總線接口控制器，但是由于PCI總線協議自身的復雜性，要想在短期內做到操作穩定，難度很大。所以一般開發PCI接口卡的時候都使用現成的PCI接口芯片。目前市場上面的PCI接口芯片有不同公司的多種型號產品，不同的產品價位相差很大，而且功能與使用的復雜性也有很大不同。我們在設計前，要廣泛的調研，根據項目需求選擇合適的PCI接口芯片來設計系統，就會事半功倍。

目前市場上常見的有AMCC，PLX，CYPRESS等公司的橋芯片，各個型號的PCI接口芯片的比較如表1所示：

綜合項目需求，成本以及開發難易等幾個問題來考慮，選擇了PLX的9030芯片作為本設計的PCI運算板的接口芯片。

TMS320VC5402是TI公司的5000平臺中力推的一款芯片，主頻可達100MHz，批量價格僅5美元，片上資源有40位ALU，17×17乘法器，4K×16位ROM，16K×16bitSARAM，8位擴展主機接口(HPI），6路DMA控制器，兩個多通道帶緩存串口(MCBSP），兩個16位定時器。稱得上價格低廉，性能優異，在嵌入式領域，無線設備，數字運算等領域得到了廣泛的應用。

VC5402的引腳大多數有內部的斯密特觸發器以及上拉電阻，對于設計者來說外部電路設計相對簡單，不用作特別的處理，但是中斷源輸入必須從外部接上拉電阻。

DSP與主機的數據交互是PCI運算平臺的設計關鍵。主機可以通過VC5402的主機接口中的三個HPI寄存器訪問DSP芯片內16K的DRAM。三個HPI寄存器的具體定義如下：

* HPIA：HPI地址寄存器，存放當前所訪問的DSP的內存地址；

* HPIC：HPI控制寄存器，包括HPI的控制與狀態位；

* HPID：HPI數據寄存器，當前HPIA所在地址的數據；

主機要讀取DSP中某個地址的數據時，首先向HPIA中送入所需訪問的地址，然后讀取HPID的內容即可；同樣，主機要向DSP中某個地址寫入數據的話，首先向HPIA中送入所需訪問的地址，然后將數據寫入HPID就可以了。

HPI寄存器由HDS1， HDS2地址線選擇，結合HRW，HAS只要很少的邏輯就可與主機接口。主機通過PCI總線接口芯片訪問DSP，只需要做一些有效電平的轉換即可。單個VC5402與PLX9030接口芯片通過HPI連接的示意圖如圖1所示。

圖中PLD內部的VHDL的核心部分代碼如下：

hcs <=not lad7;

has <='1';

hds1 <=wr;

hds2 <=rd;

hrw <=not lwr;

hcntl0 <=lad6;

hcntl1 <=lad5;

hbil <=lad4;

讀者可以從這段代碼看出，PLD主要的功能僅僅是地址譯碼以及電平的轉換。

由于一般的PCI接口芯片都提供了大量的局部端地址線（lad，Local Address and Data），所以多片DSP與主機接口也是很容易實現的，只要用PCI接口芯片的不同的局部端地址線來選通不同的DSP。多個VC5402與PLX9030接口芯片通過HPI連接的示意圖如圖2所示。

所謂自舉，就是系統上電后程序指針自動跳到程序起始處開始執行。

VC5402內部4K的ROM只有在量產的時候做掩膜才是經濟上可行的，而且用戶程序一旦超過4K，就必須將程序存在外部掉電非易失的器件里面，如EEPROM，Flash或者通過主機下載程序。VC5402上電后調用片內ROM里面出廠時已經固化的BootLoad程序，從外部讀入用戶程序然后執行之。下文介紹兩種常用的的系統自舉裝入的方法。

由于主機通過HPI口可以訪問DSP的片內SRAM資源，故而也可以在系統上電的時刻將程序由主機載入DSP，具體做法與第三節所講的主機與DSP通信流程相同。在硬件上需要將DSP的INT2與HPI的中斷輸出HINT直接相連以選中HPI自舉模式。HPI方式簡單方便，不必外接掉電非易失的器件，對于基于主機的DSP信號處理板不失為一種理想的自舉裝入方式。

在非基于主機的DSP系統中，或者當程序的二進制代碼大小超過DSP的片內的SRAM的容量的時候，這時候只能選擇將程序固化外部掉電非易失的器件中。由于Flash(閃速存儲器)容量大，價格便宜，可以在線編程以動態的更新數據，一般選擇Flash作為固化程序的器件。由于Flash的種類很多，在選擇Flash的時候可根據系統工作電壓，容量，在線編程的難易等幾個指標來選擇器件。

如果直接通過DDK來訪問PCI設備，對于硬件開發者來說需要了解大量的Windows底層的知識，不利于項目的快速進展，而對于專業的軟件開發者來說，又不熟悉具體的硬件系統，對于驅動程序的操作對象不了解。為了解決這個問題，PLX公司專門推出了軟件開發包(SDK），利用這個工具能夠方便快速的開發出基于PLX的PCI接口芯片設備的Windows驅動程序。利用PLX SDK開發設備驅動程序，不需要熟悉操作系統的內核知識，整個驅動程序中的所有API應用程序接口函數都是工作在用戶態下的，通過與SDK的PLXSDK.DLL，PLX.SYS文件的交互來達到驅動硬件的目的。

PCI設備的驅動程序的流程為：

* 列舉設備；

* 找到所需設備；

* 列舉該設備所有資源；

* 鎖定設備資源；

* 訪問設備資源；

* 解鎖設備資源，釋放設備。

PLX SDK用API函數來實現以上的功能，通過下面一個簡單的程序就可以訪問DSP片內SRAM，并且介紹一些常用函數的使用。

1．列舉設備，找到所有使用PLX接口芯片的設備。

2．選擇設備,根據設備號選中欲操作的設備。

device.BusNumber

=MINUS_ONE_LONG;

device.SlotNumber

=MINUS_ONE_LONG;

device.DeviceId

=MINUS_ONE_LONG;

device.VendorId

=MINUS_ONE_LONG;

device.SerialNumber[0]='