FPGA與ADSP TS201的總線接口設(shè)計(jì)

在雷達(dá)信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理等領(lǐng)域中，信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。由于FPGA芯片在大數(shù)據(jù)量的底層算法處理上的優(yōu)勢(shì)及DSP芯片在復(fù)雜算法處理上的優(yōu)勢(shì)，DSP+FPGA的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。ADI公司的TigerSHARC系列DSP芯片浮點(diǎn)處理性能優(yōu)越，故基于這類DSP的DSP+FPGA處理系統(tǒng)正廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的信號(hào)處理領(lǐng)域。同時(shí)在這類實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA與DSP芯片之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信至關(guān)重要。

　　TS201 DSP的外部總線接口有兩種協(xié)議：慢速協(xié)議和高速流水協(xié)議。流水線協(xié)議適合與快速同步設(shè)備連接，文中采用此協(xié)議，實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA之間的通信。

　　1 DSP流水線協(xié)議

　　流水線協(xié)議用來(lái)提供流水線方式的數(shù)據(jù)傳輸。在該傳輸協(xié)議下，每個(gè)時(shí)鐘周期可以傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)。控制流水線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕盘?hào)包含以下引腳：

• 　　RD——數(shù)據(jù)傳輸讀信號(hào)；
• 　　WRH和WRL——數(shù)據(jù)傳輸寫信號(hào)；
• 　　BRST——突發(fā)方式數(shù)據(jù)傳輸指示；
• 　　ADDR——地址總線；
• 　　DATA——數(shù)據(jù)總線。

　　流水線協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸有兩種方式：普通流水線協(xié)議和突發(fā)流水線協(xié)議。ADSP TS201的數(shù)據(jù)總線位寬可以通過SYSCON寄存器設(shè)置為32位或者64位，但是有時(shí)候需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位寬可能是32位，64位或者128位，這樣就有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)總線位寬和數(shù)據(jù)位寬不一致的情況，如果總線位寬小于數(shù)據(jù)位寬，DSP采用突發(fā)流水協(xié)議傳輸，否則采用普通流水線協(xié)議。

　　1．1 普通流水線協(xié)議

　　圖1是DSP使用普通流水協(xié)議，寫FPGA內(nèi)部寄存器時(shí)序圖，流水深度為1，在時(shí)鐘沿1地址線、WRx(WRH和WRL)同時(shí)有效，一個(gè)時(shí)鐘周期后，在時(shí)鐘沿2數(shù)據(jù)線有效，地址線、WRx無(wú)效。

　　1．2 突發(fā)流水線協(xié)議

　　因?yàn)閿?shù)據(jù)總線位寬小于數(shù)據(jù)位寬，那么它只能通過兩次傳輸來(lái)完成。但是如果DSP沒有任何指示信號(hào)，F(xiàn)PGA并不知道當(dāng)前傳輸是高32位數(shù)據(jù)，還是低32位數(shù)據(jù)，這時(shí)候另外一個(gè)信號(hào)BURST就顯得尤為重要了。

　　引腳BRST可以用來(lái)指示多個(gè)傳輸過程合成一個(gè)傳輸過程，圖2是DSP通過32位數(shù)據(jù)總線寫64位數(shù)據(jù)時(shí)序圖。

　　由圖2可以看出，數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制與普通流水協(xié)議相同，只多了一個(gè)BRST指示信號(hào)，它與地址1同時(shí)有效，表示本次數(shù)據(jù)沒有傳輸完畢，下次要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與本次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一個(gè)整體，即BRST有效時(shí)傳輸是低32位數(shù)據(jù)，無(wú)效時(shí)傳輸?shù)氖歉?2位數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了在32位數(shù)據(jù)總線上傳輸64位數(shù)據(jù)，如果沒有BRST信號(hào)，該過程會(huì)被認(rèn)為是2次32位傳輸。

　　同理，如果用32位數(shù)據(jù)總線傳輸128位數(shù)據(jù)，在傳輸前3個(gè)32位數(shù)據(jù)的時(shí)候，BRST信號(hào)有效，傳輸最后一個(gè)32位數(shù)據(jù)BRST無(wú)效。

　　注意：使用流水協(xié)議時(shí)，流水深度由傳輸類型(讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù))決定。在寫數(shù)據(jù)傳輸中，流水深度固定為1；在讀數(shù)據(jù)傳輸中，流水線深度可由用戶編程決定，即由系統(tǒng)配置寄存器SYSCON決定，在1~4之間可變。

　　2 FPGA設(shè)計(jì)

　　由于DSP的協(xié)議是相對(duì)固定的，F(xiàn)PGA只需按照協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)即可，下面以DSP訪問FPGA內(nèi)部寄存器為例詳細(xì)介紹。筆者建議采用同步設(shè)計(jì)，主要信號(hào)、輸出信號(hào)都由時(shí)鐘沿驅(qū)動(dòng)，可以有效避免毛刺。

　　為了使所設(shè)計(jì)的模塊通用化，可設(shè)流水深度、數(shù)據(jù)總線位寬、寄存器位寬、寄存器地址可設(shè)。筆者建議采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，使用參數(shù)傳遞語(yǔ)言GENERIC將參數(shù)傳遞給實(shí)體，在實(shí)體內(nèi)部使用外if…else結(jié)構(gòu)，這樣在一個(gè)程序中可以包含各種情況，但不會(huì)增加邏輯的使用量。下面以個(gè)別情況為例，詳細(xì)介紹。

　　2．1 32位數(shù)據(jù)總線，32位寄存器，寫操作

　　前面提過，DSP采用流水協(xié)議寫FPGA時(shí)，流水深度固定為1，F(xiàn)PGA在前一時(shí)鐘沿采到地址、WRx信號(hào)有效，在下一時(shí)鐘沿就鎖存數(shù)據(jù)，如圖3所示，F(xiàn)PGA在時(shí)鐘沿1采到地址總線上的地址與寄存器地址一致，WRx信號(hào)為低，寫標(biāo)志信號(hào)S_W_FLAG置高，由于采用同步設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA只有在時(shí)鐘沿2才能采到S_W_FLAG為高，一旦采到S_W_FLAG為高，F(xiàn)PGA就鎖存數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，即在時(shí)鐘沿2鎖存數(shù)據(jù)。

　2．2 32位數(shù)據(jù)總線，32位寄存器，讀操作

　　與寫寄存器不一樣，讀寄存器時(shí)流水深度在1到4之間可設(shè)，需要注意的是，為避免總線沖突，DSP不讀時(shí)，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)總線應(yīng)保持三態(tài)。

　　如果流水深度設(shè)置為1，F(xiàn)PGA在前一時(shí)鐘沿采到地址、RD信號(hào)有效，應(yīng)確保在下一時(shí)鐘沿?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定的出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，否則DSP不能正確讀取數(shù)據(jù)，如圖3所示，在時(shí)鐘沿1采到地址總線上的地址與寄存器地址一致，RD信號(hào)為低，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線，在時(shí)鐘沿2數(shù)據(jù)已穩(wěn)定出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，DSP可以讀取。

　　如果流水深度設(shè)置為2，F(xiàn)PGA在前一時(shí)鐘沿采到地址、RD信號(hào)有效，應(yīng)確保隔一時(shí)鐘周期后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定的出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，這樣就像寫操作一樣，需要加一個(gè)標(biāo)志，當(dāng)條件滿足，標(biāo)志為高，一旦標(biāo)志為高，輸出數(shù)據(jù)，如圖4所示。

　　綜上所述，流水深度加深一級(jí)，F(xiàn)PGA就晚一個(gè)時(shí)鐘周期驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線。可以看出，雖然流水深度在1~4之間可設(shè)，但是總能保證一個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)。

　　2．3 32位數(shù)據(jù)總線，64位寄存器

　　前面提到，突發(fā)流水協(xié)議與普通流水協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制是一樣的，只是多了一個(gè)指示信號(hào)BRST，當(dāng)寫操作時(shí)，F(xiàn)PGA如果在前一時(shí)鐘沿采到地址、WRx、BRST信號(hào)有效，在下一時(shí)鐘沿就鎖存數(shù)據(jù)到寄存器低位，而如果在前一時(shí)鐘沿采到地址、WRL有效，而BRST信號(hào)無(wú)效，在下一時(shí)鐘沿就鎖存數(shù)據(jù)到寄存器高位。同樣，當(dāng)讀操作時(shí)，F(xiàn)PGA如果采到地址、RD、BRST信號(hào)有效，就將寄存器低位驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)總線上，而如果采到地址、RD有效，BRST而信號(hào)無(wú)效，就將寄存器高位驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)總線上，具體在哪個(gè)時(shí)鐘沿驅(qū)動(dòng)，由流水深度決定。

　　3 DSP設(shè)置

　　ADSP　TS201與FPGA通信時(shí)，DSP是否采用流水協(xié)議，數(shù)據(jù)總線位寬，以及流水深度都可以通過系統(tǒng)配置寄存器SYSCON進(jìn)行設(shè)置，SYSCON詳細(xì)設(shè)置見文獻(xiàn)[3]，以32位數(shù)據(jù)總線訪問64位寄存器為例，一級(jí)流水，SYSCON設(shè)置為

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　文中實(shí)現(xiàn)了DSP通過外部總線接口訪問FPGA內(nèi)部寄存器，但是如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，或者DSP與FPGA的時(shí)鐘不同步，就不能用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要借助于雙口RAM或者FIFO，讀者可以在本文的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。