??? 摘 要： CPCI總線是一種成熟全面的計算機總線，通過它主機可以方便地為DSP加載程序，進行調試和監控工作；另外還能在主機和DSP系統間完成高速數據傳輸工作。本文結合一個已經成功應用的設計，闡述了基于雙狀態機＋Cache結構的主機接口設計" title="接口設計">接口設計，并給出了邏輯框圖。利用PLX公司的PCI9656接口芯片" title="接口芯片">接口芯片，FPGA提供了高達90MB/s的主機訪問DSP和SDRAM的速度。
??? 關鍵詞： CPCI總線? FPGA? DSP? SDRAM? Cache
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??? 在現代通信、雷達和聲納系統中，隨著實時處理要求的不斷提高，對數字信號處理系統也提出了更高的要求。板載多片高性能的DSP芯片，配合大容量" title="大容量">大容量的SDRAM，可以很好地滿足上述要求，并且已經成為了數字信號處理系統發展的趨勢。采用CPCI總線集成系統，可以方便主機進行調試，控制和管理DSP系統。系統中的主機接口可以使主機通過CPCI總線訪問板上的DSP和SDRAM芯片，這是多DSP系統設計的關鍵點之一。
??? 不同于以往簡單地使用一個CPLD進行粘合邏輯設計" title="邏輯設計">邏輯設計，本文提出了一種基于雙狀態機＋Cache，預存預取的主機接口設計結構。在主機接口中設立了一個Cache，降低了CPCI總線與板上DSP和SDRAM芯片的耦合度，并且設計了兩個獨立狀態機分別進行控制。這顯著提高了主機訪問DSP和SDRAM的速度，為DSP系統的應用提供了更廣闊的平臺。本文詳細闡述了如何完成CPCI總線和DSP、SDRAM芯片間的數據傳輸，分析了設計難點，并給出了邏輯框圖。
1 系統設計方案
??? 圖1是系統設計框圖，系統采用PLX公司的PCI9656接口芯片，它可以很方便地將時序相對復雜的PCI協議轉化為相對簡單的局部端訪問協議。在基本不損失性能的同時，簡化了邏輯設計要求，使開發者可以更為關注后端數據接口問題。
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??? FPGA采用Xilinx公司的X2V1000，它有近100萬門的邏輯資源和720KB的BlockRAM，可以靈活搭建控制邏輯和Cache緩存。
??? DSP采用ADI公司的ADSP-TS201S，共有4片，工作頻率是600MHz，總共可以提供14.4GFLOPS的運算能力[1]。
??? SDRAM采用Hynix公司的HY57V561620C，容量共有128MB，可以基本滿足數據存儲的要求。
2 FPGA的接口設計
2.1 FPGA在系統中的作用
??? FPGA主要實現如下功能接口：(1)DSP接口。提供一個PCI Local總線到DSP共享總線的界面，完成兩套總線之間的邏輯仲裁及讀寫控制信號等；(2)SDRAM接口。提供一個PCI Local總線到SDRAM總線的界面；(3)FLASH接口；(4)鏈路口；(5)Register管理模塊。圖2給出了FPGA的各種接口與系統其他部分的關系圖。本文將重點討論主機和DSP、SDRAM間的訪問。
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2.2 設計思想
?? ?PCI局部端的時鐘是66MHz，而DSP共享總線為100MHz，時鐘的不匹配會給邏輯設計提出很多時序方面的問題。另外，PCI局部端數據總線是32位，而SDRAM數據總線是64位，如何匹配數據寬度也是一個問題。而且PCI局部端和DSP、SDRAM在控制時序上也有很大差別。
??? 圖1中顯示的是共享總線結構，DSP、SDRAM和FPGA都掛在DSP的外部總線上。DSP之間的通訊可以使用DSP總線；各個DSP訪問SDRAM時，也要選擇DSP總線；而且當主機訪問DSP通訊時，也會不可避免地使用DSP總線。因此不難得出這樣的結論：DSP總線將可能成為系統的瓶頸所在。所以在設計主機接口時，必須提高總線的使用效率，減少申請DSP總線的次數，每次申請使用DSP總線時都要盡可能多地傳輸數據。
??? 在微處理器設計中，Cache被用來緩存數據、解決高速CPU訪問低速存儲器時的瓶頸問題。為了解決上述兩大問題，在FPGA的設計中也采用了類似Cache的結構來隔離不同總線間的傳輸。在Cache的兩邊有兩個狀態機來控制Cache的讀寫和總線數據的訪問。使用Cache后，DSP共享總線和PCI局部端總線將被去耦合，這樣可以使兩級總線的數據吞吐量都盡量達到自己的峰值速度。FPGA內部有豐富的存儲資源，大塊的BlockRAM可以方便地搭建成Cache；而且Cache越大，越能提高主機訪問DSP和SDRAM的效率，減小占用DSP總線的時間，從而可以縮短DSP間通過DSP總線互訪時的等待時間。
??? 圖3是DSP/SDRAM接口框圖，都是基于雙狀態機加上Cache結構[2]。兩個狀態機同時監測Cache當前空、滿或是數據個數等狀態，以決定其動作；另外狀態機間還有命令通道，局部端狀態機用它向DSP/SDRAM端狀態機發出命令。由于這部分跨越了兩個不同頻率的時鐘域，因此必須加上同步電路以防止寄存器不定態的產生。
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??? SDRAM接口與DSP接口不同處是它還有一個標準的SDRAM控制器，負責將自定義的SDRAM讀寫命令翻譯成SDRAM控制信號線RAS#、CAS#和WE#的組合。將SDRAM控制器獨立出來可以使得設計更加模塊化，避免SDRAM端狀態機過于龐大[3]。
2.3 DSP/SDRAM接口的實現
??? 主機訪問DSP時，必須遵守DSP的流水線協議，其中重要的是讀寫時的流水深度：讀操作時流水深度始終為四個周期，寫操作時流水深度始終為一個周期。主機執行來自或去往DSP的突發操作時，支持超過四字的連續突發操作。當主機發出突發首地址，只要BRST#信號有效，DSP就在內部對地址累加。首次傳送的起始地址和最后一次傳送的結束地址必須四字對齊。這里只支持DSP端4字突發。
??? SDRAM的訪問協議很常見，限于篇幅，不再贅述。
??? 每次主機開始訪問DSP/SDRAM時，PCI局部端使用LHOLD和ADS#來啟動一次傳輸，LWR＝0表明是讀過程。局部端狀態機向DSP/SDRAM端狀態機發出start命令。開始時Cache為空，而且DSP/SDRAM提供數據要超過一段時間，所以在讀操作的開始階段要無效ready_n使局部端等待。DSP/SDRAM端狀態機接收到局部端狀態機的start信號后，開始從DSP/SDRAM讀出數據，填入Cache中。
??? 當預定義的數目被滿足后，局部端狀態機使ready_n有效以允許當前的讀操作。DSP/SDRAM端將會根據用戶設定是否突發讀寫DSP/SDRAM的方式，一直連續地讀DSP/SDRAM數據，寫入Cache中。除非接收到stop命令才回到IDLE狀態，或是在Cache快要填滿進入等待狀態，放棄DSP共享總線，這樣可以使4片DSP之間的數據傳輸盡可能少地被干擾。每次主機讀DSP/SDRAM時，都會直接從這個Cache中讀出數據。如果Cache中的數據少于預定義的數目，則ready_n將被無效，以使當前的數據傳送等待。一旦LHOLD信號無效（當前這段PCI傳送結束）或是局部端地址不連續了（局部端有一個地址寄存器，它標志Cache中下一個數據的地址，如果它和當前局部端地址不同表示預取的Cache已經無效），局部端狀態機就向DSP/SDRAM端狀態機發出stop命令。DSP/SDRAM端狀態機清空Cache，準備下一次訪問。讀SDRAM的同時開啟一個定時器，一定的時間間隔內要在讀命令中插入刷新命令，防止數據丟失。
??? 主機寫DSP/SDRAM的操作過程因為有Cache的存在顯得很簡單[4]。因為局部端和DSP/SDRAM端之間有Cache完全隔離，所以局部端狀態機只要判斷Cache中還有足夠的空余位置就開始往Cache中分別寫入地址和數據（兩者是一一對應的）。局部端狀態機在寫的過程中，根據PCI9656的blast#信號來判斷單次還是突發以及突發是否結束；如果Cache中空余位置少于4個則進入等待狀態。DSP/SDRAM端狀態機一旦看到Cache不為空，便從Cache中讀出地址和數據，整合了一段數據后開始申請DSP共享總線，按照協議規定的時序要求將數據寫到DSP/SDRAM中。對DSP的寫操作就像寫SRAM一樣簡單方便；寫SDRAM稍微復雜一些，除了要像讀一樣插入刷新命令外，每次寫SDRAM到了頁末時必須及時發出預充電命令，防止地址錯誤地回轉到頁首；另外每次寫完SDRAM后同樣發出預充電命令，關閉本頁，防止在同一個Bank內打開兩頁。
2.4 DSP/SDRAM接口性能
??? 33MHz、32位的PCI總線理論極限速度是132MB/s，實際速度要有一些折扣。由于FPGA訪問DSP和SDRAM理論帶寬分別有300MB/s和600MB/s，因此DSP/SDRAM接口的瓶頸在PCI端。在研華MIC3358主板上，主機無其他任務，重復訪問DSP內部一段64KB數據的測試環境下，接口的DMA讀速度有90MB/s，DMA寫有38MB/s。與此同時，Bittware的同類型板卡Tiger-6U-cPCI的DMA讀速度是86MB/s，DMA寫速度最高可以達到40MB/s。兩者的DSP接口訪問速度基本相同，但是在Bittware的設計里，主機要訪問SDRAM，必須要借助DSP的SDRAM控制器，占用DSP的一個FLYBY通道，會影響DSP的正常運轉。本系統提供了一個主機直接訪問SDRAM的接口。
??? 本文首先提出了一個通用DSP系統的設計方案，主要給出了FPGA在系統中的位置和作用。然后簡要介紹了FPGA的各個功能模塊，著重針對DSP和SDRAM接口進行了討論，針對數據寬度和時鐘速率不匹配的特點，提出雙狀態機+Cache的設計結構，給出相應的FPGA設計框圖和設計思路。比較國際上知名的其他板卡，本系統的DSP接口的訪問速度已經達到了較高水平；一個高訪問速率的主機接口的建立，可以使得系統運行中的主機控制DSP過程盡可能少地影響DSP系統的運行。而一個高訪問速率的SDRAM接口的建立，也為主機和處理板間大容量數據交換提供了可能，這一點在進行數據存儲和雷達信號處理中尤其有用。該設計已經被應用于某大型信號處理系統，取得了良好的效果。
參考文獻
[1] 劉書明，羅勇江.ADSP TS20XS系列DSP原理與應用設計.北京：電子工業" title="電子工業">電子工業出版社，2007.
[2] GOLSON S.State machine design techniques for Verilog?and VHDL.Synopsys Journal of High-Level Design，1994，(9)：1-48.
[3] Altera.SDR SDRAM Controller White Paper V1.1.2002，5.
[4] 楊宗凱.數字專用集成電路的設計與驗證.北京：電子工業出版社，2004.