基于ＣＰＣＩ總線和ＴＳ２０１的通用雷達(dá)信號處理板設(shè)計(jì)

許月圓　李冬梅　宮慧敏

摘 要：在介紹ADI公司TigerSharc系列處理器ADSP－TS201和PLX公司PCI9656這兩款芯片，詳細(xì)闡述處理板的整體結(jié)構(gòu)和DSP與PCI9656的接口電路設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，提出一種ADSP－TS201基于橋芯片PCI9656實(shí)現(xiàn)與CPCI總線通信的雷達(dá)信號處理板的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)RocketIO到DSP數(shù)據(jù)的高速傳輸，它克服了傳統(tǒng)雷達(dá)信號處理板通用性差的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CPCI總線；DSP；橋芯片；鏈路口

中圖分類號：TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004 373X(2009)02 129 03

Design of Radar Signal Processing System Based on ADSP－TS201 and CPCI Bus

XU Yueyuan1,LI Dongmei2,GONG Huimin1

(1.Xidian Univesity,Xi′an,710071,China;2.27th Research Institute of CETC,Zhengzhou,450005,China)

Abstract：A design is proposed to implement the function of communication between CPCI bus and ADSP－TS201 based on the bridge chip PCI9656.TigerSharc processor ADSP－TS201 of ADI Company and the bridge PCI9656 of PLX Company are introduced in this paper,and the whole structure and design principle of interface circuit between PCI9656 and DSP are proposed.The design overcomes bad performance of the compatibility existing in the traditional radar signal processing system and implements the high speed transmission of data between RocketIO and DSP.

Keywords：CPCI bus;DSP;bridge；link port

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)由于專用性強(qiáng)，兼容性差，影響了系統(tǒng)的通用性和其擴(kuò)展能力，不能滿足現(xiàn)代雷達(dá)實(shí)時(shí)高速的信號處理需求。設(shè)計(jì)通用并行信號處理系統(tǒng)己經(jīng)成為高速實(shí)時(shí)信號處理發(fā)展的必然趨勢，而基于CPCI總線的多DSP信號處理模板設(shè)計(jì)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該設(shè)計(jì)針對傳統(tǒng)雷達(dá)信號處理系統(tǒng)通用性和擴(kuò)展能力差提出一種ADSP－TS201基于PCI9656橋芯片實(shí)現(xiàn)與CPCI總線通信的高速、通用性強(qiáng)的信號處理系統(tǒng)，并介紹一種DSP與PCI9656的接口電路設(shè)計(jì)。

1 器件介紹

1.1 ADSP－TS201

ADSP－TS201是ADI 公司TigerSHARC 系列中集成了定點(diǎn)和浮點(diǎn)計(jì)算功能的高速DSP。ADSP－TS201內(nèi)部4條相互獨(dú)立的128位寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，每條連接6個(gè)2 Mb內(nèi)部存儲區(qū)塊中的一個(gè)，提供各自數(shù)據(jù)、指令集I/O訪問和28 GB/s的內(nèi)部存儲器寬帶；處理器內(nèi)核最高可工作在600 MHz,單周期能執(zhí)行4條指令,每秒能進(jìn)行3.4億次乘累加和2.8億次浮點(diǎn)操作,是面向通信和視頻領(lǐng)域的高端DSP。ADSP－TS201有14通道的DMA控制器;4個(gè)鏈路口可用于與其他DSP進(jìn)行無縫聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)高速度高數(shù)據(jù)吞吐率。鏈路口可以4位并行方式傳輸，也可以編碼為1位傳輸方式。通常以4位并行方式傳輸，當(dāng)處理器核工作在500 MHz時(shí)，鏈路口也可工作在500 MHz，每個(gè)鏈路口的雙向數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)1 000 MB/s，4個(gè)鏈路口合起來數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)4 GB/s;集成SDRAM控制器最大支持256 M×32 b的內(nèi)存容量,方便與外部SDRAM連接。ADSP－TS201適合對大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用領(lǐng)域。TigerSHARC 系列的DSP 接口豐富,外部設(shè)備接口包括SDRAM 控制器、EPROM 接口、主機(jī)接口、多處理器接口；其引導(dǎo)程序的加載方法也非常靈活,可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要靈活選用。

1.2 PCI9656

PCI9656是PLX公司推出的與PCI9054相兼容的、能提供混合高性能PCI總線的接口控制芯片，采用了業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)流水線架構(gòu)技術(shù)，符合PCI V2.2規(guī)范。PCI9656的工作狀態(tài)包括以下兩個(gè)方面：工作方式和局部總線操作模式。PCI9656的工作方式包括直接主模式、直接從模式和DMA模式，它的局部總線操作模式有M模式、C模式和J模式。它具有64位數(shù)據(jù)線66 MHz時(shí)鐘的PCI總線接口和32位數(shù)據(jù)總線66 MHz時(shí)鐘的Local端接口；配有的DMA引擎可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸；具有PCI優(yōu)先判決器，支持7個(gè)外部主控制器；可以通過消息管理I/O,提供兩種方式選擇，一是通過郵箱寄存器和門鈴寄存器；二是通過所提供的I2O接口。它有64 b/66 MHz PCI性能，符合PCI V2.2規(guī)范，采用數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)者可以將芯片32 b，66 MHz局部總線與各類高速設(shè)備，如DSP、存儲器、自定義ASIC和FPGA連接，通過PCI9656數(shù)據(jù)流水架構(gòu)使其局部端連接設(shè)備具有64 b/66 MHz的PCI I/O性能。

2 系統(tǒng)工作原理

信號處理板上DSP的工作與主機(jī)相對獨(dú)立，主機(jī)通過CPCI總線給信號處理板傳送加載程序和一些控制信息，并監(jiān)控信號處理板。采集數(shù)據(jù)通過4路全雙工Rocket_IO口發(fā)送給信號處理板。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 DSP的電路設(shè)計(jì)

信號處理板中DSP對來自板外的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、相參積累和脈沖壓縮。4片DSP之間采用鏈路口方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信。DSP采用主機(jī)與EPROM方式引導(dǎo)和加載程序，先通過FLASH將加載程序?qū)隓SP1，然后用主機(jī)引導(dǎo)方式將傳入DSP1內(nèi)的加載程序依次傳輸給其他3片DSP。由于DSP有專用的SDRAM尋址空間和外圍接口，DSP與SDRAM之間能實(shí)現(xiàn)無縫連接。該設(shè)計(jì)中每片DSP外掛1片256 Mb的SDRAM，保證了DSP足夠的存儲空間。

2.2 PCI9656與DSP連接設(shè)計(jì)

由于PCI9656與DSP接口不兼容，所以用邏輯轉(zhuǎn)換器件FPGA1實(shí)現(xiàn)它們之間的連接。FPGA1中設(shè)計(jì)有一個(gè)能與ADSP－TS201S直接通信的主機(jī)接口模塊，將ADSP－TS201S主機(jī)接口與FPGA1內(nèi)的主機(jī)接口直接相連。PCI9656通過FPGA1內(nèi)主機(jī)接口間接訪問ADSP－TS201S。FPGA1中設(shè)計(jì)16 K×32 b的雙口RAM，用于緩存PCI9656與DSP之間讀寫數(shù)據(jù)。FPGA1一端與4片DSP相連，另一端與PCI9656局部端相連。當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)DSP同時(shí)請求與PCI9656通信時(shí)，F(xiàn)PGA1內(nèi)DSP開關(guān)選擇模塊對其進(jìn)行仲裁。PCI9656根據(jù)主機(jī)的要求可以訪問任意一片DSP。PCI9656對信號處理板上4片SDRAM的訪問有2種方式。第一，通過DSP來間接的訪問SDRAM，DSP先將SDRAM中數(shù)據(jù)讀到其內(nèi)部存儲區(qū)，然后PCI9656通過訪問DSP訪問SDRAM；第二，在FPGA1內(nèi)設(shè)計(jì)SDRAM控制器，通過FPGA1內(nèi)控制器直接訪問SDRAM。

2.3 PCI9656與CPCI總線連接設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中信號處理板是6U規(guī)格，可與J1至J5五個(gè)連接頭相連。J1是32位PCI總線，J2用于64位PCI總線或用戶自定義I/O口；J3，J4和J5是用戶自定義I/O口。為了保證信號處理板的通用性和可擴(kuò)展性，J1與J2連接頭作為64位數(shù)據(jù)寬度的CPCI總線。PCI9656一端與FPGA1相連另一端分別與J1和J2連接頭相連。需要注意的是PCI9656與CPCI連接的引腳必須插入10 Ω的匹配電阻，以降低對背板的干擾。

2.4 Rocket_IO與DSP的連接設(shè)計(jì)

信號處理板通過全雙工Rocket_IO口接收板外的采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)1.25 Gb/s。 FPGA2實(shí)現(xiàn)Rocket_IO與DSP的LinkPort之間的接口轉(zhuǎn)換，其一端連接4路Rocket_IO口相連另一端連接每片DSP的1路LinkPort，即4路鏈路口。DSP的每路鏈路口數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)1 GB/s。FPGA2對Rocket_IO口送入的數(shù)據(jù)整理后，利用鏈路口傳輸給相應(yīng)的DSP。任意一路LinkPort能與任意一路的Rocket_IO口通信，當(dāng)多路LinkPort爭用一路Rocket_IO口或多路Rocket_IO口爭用一路LinkPort時(shí)，F(xiàn)PGA2內(nèi)的總線開關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)它們之間的仲裁。設(shè)計(jì)中信號處理板可以選用任意用戶自定義IO口作為Rocket_IO通道。

3 PCI9656與DSP的接口設(shè)計(jì)

PCI9656的局部端采用C模式，32位數(shù)據(jù)和32位地址線。PCI9656配置為直接從模式，即只有主機(jī)可以通過PCI9656申請局部端總線控制權(quán)訪問DSP。4片DSP與FPGA1連接方式相同，這里只給出1片DSP與PCI9656之間的接口邏輯轉(zhuǎn)換。DSP和PCI9656的連接如圖2所示。

PCI9656對DSP的訪問通過FPGA1間接實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA1內(nèi)設(shè)計(jì)有實(shí)現(xiàn)邏輯轉(zhuǎn)換的主機(jī)接口模塊、用于數(shù)據(jù)緩存的雙口RAM模塊和DSP開關(guān)選擇模塊。

3.1 PCI9656讀DSP

(1) PCI9656使LHOLD變高申請局部總線控制權(quán)；FPGA檢測到后，立即使LHOLDA變高，告知PCI9656局部總線申請成功。PCI9656使ADS和LW/R變低，然后發(fā)送主機(jī)地址；FPGA1依據(jù)高位地址譯碼生成DSP片選信號，根據(jù)LW/R將主機(jī)接口配置為讀方式，同時(shí)使PCI9656的READY信號無效。

(2) FPGA1向相應(yīng)的DSP發(fā)HBR和RD申請總線控制權(quán)并請求讀數(shù)據(jù)；DSP檢測到HBR后返回HBG和ACK。FPGA1檢測ACK到信號后，接收數(shù)據(jù)并緩存至雙口RAM。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢時(shí)DSP使RD和ACK無效，撤銷HBG，F(xiàn)PGA1接著撤銷HBR。

(3) FPGA1使READY有效，PCI9656檢測到該信號后，開始讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸完畢后FPGA1使READY無效并收回LHOLDA，PCI9656接著撤消LHOLD，此次讀操作結(jié)束。

3.2 PCI9656寫DSP

(1) PCI9656使LHOLD變高申請局部總線控制權(quán)；FPGA檢測到后，立即回應(yīng)使LHOLDA變高告知PCI9656局部總線申請成功。PCI9656使ADS變低、LW/R變高，然后發(fā)送主機(jī)地址；FPGA1根據(jù)高位地址譯碼生成DSP片選信號，根據(jù)LW/R將主機(jī)接口配置為寫方式，同時(shí)使能PCI9656的READY。

(2) PCI9656檢測到READY后，將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM。數(shù)據(jù)傳輸完畢后PCI9656使READY無效，收回LHOLD；FPGA1接著撤消LHOLDA。

(3) FPGA1向相應(yīng)的DSP發(fā)出HBR和WRL申請總線控制權(quán)并請求對DSP寫數(shù)據(jù)操作，DSP檢測到信號返回HBG和ACK。FPGA1檢測到ACK信號后，開始將雙口RAM中的數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP。數(shù)據(jù)傳輸完畢后FPGA使WRL無效，撤銷HBR；DSP接著撤銷HBG和ACK。此次寫操作完成。

4 結(jié) 語

提出的基于CPCI總線的高速通用雷達(dá)信號處理板設(shè)計(jì)，繼承了CPCI總線可靠、可擴(kuò)展、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。PCI9656橋芯片和FPGA1邏輯轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)板外主機(jī)對DSP的訪問。通過FPGA2將 Rocket_IO口與DSP的LinkPort口互聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

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作者簡介 許月圓 女，1983年出生，碩士研究生。研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真與信息處理。

李冬梅 女，1967年出生，高級工程師。

宮慧敏 女，1982年出生，碩士研究生。研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真與信息處理。