DSP的嵌入式系統(tǒng)中千兆數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)分析

侯建平　李文玨　樂(lè)一楠

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，科技水平的進(jìn)步，我們迎來(lái)了信息時(shí)代，在日常生活工作中隨處可見(jiàn)信息化的影子，這勢(shì)必會(huì)在一定程度上影響嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)，能夠廣泛的運(yùn)用在圖像采集和傳輸?shù)念I(lǐng)域當(dāng)中。而隨著技術(shù)的逐步提升，無(wú)論是在工作中還是在生活中，人們?cè)谑褂们度胧较到y(tǒng)對(duì)處理圖像數(shù)據(jù)傳輸流的過(guò)程中對(duì)寬帶的需求越來(lái)越高，文章將圍繞DSP中嵌入式系統(tǒng)中的千兆數(shù)據(jù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)方面進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：DSP；嵌入式系統(tǒng)；千兆數(shù)據(jù)傳輸；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN919.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）23-0026-02

1 研究背景分析

伴隨著時(shí)代發(fā)展步伐的加快，信息技術(shù)革命的快速增長(zhǎng)，人們已經(jīng)廣泛的接受和運(yùn)用了圖像處理技術(shù)，因而，數(shù)字化、高效、實(shí)時(shí)的圖形處理技術(shù)成為專家進(jìn)一步研究的重要課題。

從研究的成果方面來(lái)看，原有的8位和16位的處理器已經(jīng)替換成了現(xiàn)在的32位和64位高速運(yùn)算、大存儲(chǔ)量的處理器，顯著的提高了處理速度，同時(shí)為后續(xù)出現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)做好了鋪墊。

1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念

嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)，標(biāo)志著新技術(shù)的發(fā)展方向，較低的功耗、應(yīng)用的多面性、較小的體積、較高的可靠性以及較強(qiáng)的性能等都是其較為突出的特點(diǎn)，無(wú)論是在網(wǎng)絡(luò)通訊、國(guó)防軍事方面，還是在工業(yè)控制、消費(fèi)電子方面其都有廣泛的應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)作為專用的綜合性系統(tǒng)，其有效地將微處理器、應(yīng)用軟件以及操作系統(tǒng)匯集為一個(gè)整體，其中，嵌入式微處理器是核心元件。

1.2 DSP技術(shù)

在幾十年的歷史發(fā)展長(zhǎng)河中，簡(jiǎn)單化的智能控制功能通過(guò)對(duì)單片機(jī)的廣泛運(yùn)用而得到實(shí)現(xiàn)。

隨著不斷發(fā)展和提升的技術(shù)水平，數(shù)據(jù)處理任務(wù)量的增加，數(shù)據(jù)精度和實(shí)時(shí)性要求的提高，在信號(hào)處理理論化、信號(hào)處理方式方法、計(jì)算機(jī)的技術(shù)水平等方面都得到顯著提高的同時(shí)，低檔次的單片機(jī)功能已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的要求，這勢(shì)必為DSP芯片的出現(xiàn)做好了鋪墊。

DSP作為專用處理器被廣泛應(yīng)用在信號(hào)處理方面，人們稱其為信息化社會(huì)或數(shù)字世界的引擎，無(wú)論是在指令算法還是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面其都有獨(dú)一無(wú)二的設(shè)計(jì)，因而在執(zhí)行速度和編譯效率方面均具有高效性。

并且，DSP正大規(guī)模地應(yīng)用于嵌入式市場(chǎng)中，如：譜分析、數(shù)字濾波、圖像的處理和分析以及FFT等領(lǐng)域。

由于大量信息數(shù)據(jù)的不斷產(chǎn)生，百兆以內(nèi)的通信速度已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)圖像數(shù)據(jù)的傳輸要求了，因而提出了更高要求的千兆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

2 關(guān)于嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1 不斷提高的設(shè)計(jì)要求

人們?cè)缫烟岢隽藢⒁蕴W(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)兩者相結(jié)合的觀點(diǎn)，但由于受到以太網(wǎng)確定性和速度性兩方面的限制，這一觀點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿足現(xiàn)代化工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求。并且各種網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議對(duì)嵌入式的系統(tǒng)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量等都具有較高的要求。在實(shí)際的應(yīng)用中，只有三十二位以上的處理器才能夠滿足這一要求，其他的處理器是難以滿足的。

2.2 嵌入式以太網(wǎng)成熟的標(biāo)志

隨著DSP這一數(shù)字信號(hào)處理器的面世，實(shí)現(xiàn)了各種數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理算法，營(yíng)造了新的數(shù)字信號(hào)應(yīng)用、處理和研究的格局，提供了實(shí)際的工作環(huán)境，降低了工作成本。

如：TI公司的TMS320C6000這一系列的DSP芯片，其不但提供的系統(tǒng)存儲(chǔ)容量充足，還具有高速、精確的運(yùn)算能力，這標(biāo)志著嵌入式以太網(wǎng)研究的條件已經(jīng)趨于成熟。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸

實(shí)際運(yùn)用中，在嵌入式系統(tǒng)中植入以太網(wǎng)技術(shù)并不是一件容易的事情，在植入的過(guò)程中面臨著多種問(wèn)題的發(fā)生，如：人們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域中廣泛的利用高效的嵌入式處理器，顯而易見(jiàn)越高的處理器性能，自然會(huì)非線性的增加功耗，這也使得在某些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)功耗問(wèn)題，從而影響設(shè)計(jì)效果。

同時(shí)，技術(shù)的發(fā)展，幾百上千兆的處理器主頻狀態(tài)已經(jīng)不再是問(wèn)題。隨著逐漸加快的運(yùn)算速度，若干個(gè)高速度處理器之間數(shù)據(jù)的傳輸以及高速數(shù)據(jù)流的輸入輸出對(duì)帶寬的占用等都影響了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。并且，多元化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)必然會(huì)使得應(yīng)用程序增大，這也是設(shè)計(jì)工作的難點(diǎn)之一。

3 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

為了實(shí)現(xiàn)高速通信的目標(biāo)，減少DSP芯片的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高其運(yùn)算效率，就需要使用到高速的DSP+千兆以太網(wǎng)的控制器結(jié)構(gòu)，在千兆以太網(wǎng)控制器中對(duì)網(wǎng)絡(luò)層、物理層、傳輸層以及鏈路層進(jìn)行分配。

TMS320C6455（下面簡(jiǎn)稱C6455）是TI公司目前單片處理能力最強(qiáng)的高性能定點(diǎn)DSP，最高主頻可達(dá)1.2 GHz，定點(diǎn)處理能力為9 600 MMAC/s。

C6455在具有高速計(jì)算能力的同時(shí)，還在片上集成的千兆以太網(wǎng)控制器，無(wú)須外加專用的以太網(wǎng)控制芯片，就可與其他以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信，從而有效提高了DSP與其他系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸能力。

C6455片上EMAC模塊和VSC8201芯片均支持RGMII，GMII，MII，RTBI和TBI接口模式，因此兩芯片之間可以方便的接口，這里采用了標(biāo)準(zhǔn)GMII模式。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)，有以下幾方面：

3.1.1 系統(tǒng)時(shí)鐘的選取

千兆以太網(wǎng)需要高精度的系統(tǒng)時(shí)鐘才能可靠的傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)時(shí)必須采用高精度的晶振或晶體（精度在4位以上）；VSC8201允許引入25 MHz和125 MHz的時(shí)鐘，從精度、布局布線和電磁兼容性幾個(gè)方面綜合考慮的問(wèn)題，應(yīng)采用25 MHz時(shí)鐘。

3.1.2 硬件的布局布線

千兆以太網(wǎng)外部差分?jǐn)?shù)據(jù)線上時(shí)鐘高達(dá)125 MHz，在高時(shí)鐘頻率下，VSC8201與RJ45之間的信號(hào)線必須等長(zhǎng)差分布線，才能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)，EMAC接口與VSC8201之間的數(shù)據(jù)線如TXD（7-0）和RXD（7-0）也必須盡可能的短，并且等長(zhǎng)布線。

3.1.3 系統(tǒng)硬件復(fù)雜度

千兆以太網(wǎng)是一個(gè)高速接口，復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)更多的不可靠性，因此應(yīng)盡量降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。一個(gè)有效的方法是，采用帶變壓器的RJ45網(wǎng)絡(luò)插座，不僅能夠降低系統(tǒng)的體積，還能有效提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 DSP硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

正如我們所知，千兆以太網(wǎng)的吞吐速率極高，為了符合這一特性，在與以太網(wǎng)控制器進(jìn)行通信的過(guò)程中需要使用到高速的DSP數(shù)據(jù)總線。而存在于DSP芯片中的PCI總線正好擁有這一高效通信速率的特點(diǎn)。

在6000的系列中TMS320C64X是DSP的中心款，其是作為最高性能定點(diǎn)的DSP芯片存在，而在TI公司研發(fā)的第二代DM642，其在數(shù)字化的多媒體領(lǐng)域中被廣泛運(yùn)用，作為32位定點(diǎn)的處理器，能夠達(dá)到600 HZ的主頻狀態(tài)，最大處理的能力在 4 800 MIPS以上。

需要注意的是，PCI在使用DM642為接口時(shí)，需要與相關(guān)的PCI2.2的協(xié)議規(guī)范相符合，能夠滿足PC99的各種要求，無(wú)論是PCI的主接口還是從接口都必須滿足，選擇32位數(shù)據(jù)總線或地址，具備單功能設(shè)備的特性，擁有中間地址譯碼，所有片上的RAM都能夠通過(guò)PCI或EMIF的作用進(jìn)行訪問(wèn)，設(shè)有獨(dú)立的外部存儲(chǔ)器；對(duì)于存儲(chǔ)器的讀塊、讀、寫(xiě)命令、讀乘、CFG讀、I/O等都能夠發(fā)揮支持作用；從訪問(wèn)的突發(fā)長(zhǎng)度沒(méi)有限制；主設(shè)備的傳輸能夠達(dá)到64 KB之多；滿足單字傳輸I/O讀寫(xiě)的能力等。

在6000系列的DSP中需要使用到兩種電源，一種為外圍器件的接口供電，一種為CPU的核心供電。根據(jù)C6000DSP型號(hào)的不同，其所使用到的核心電壓也會(huì)有所差異。

因而，在上電的過(guò)程當(dāng)中首先需要上電的是CPU的核心電源，也能夠采取外設(shè)電源（I/O）與其同時(shí)上電的這樣一種形式。當(dāng)需要將電源關(guān)閉時(shí)，首先需要將DVdd關(guān)斷，再將CVdd關(guān)斷。

針對(duì)所采用的C6000DSP這一系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)確保每一個(gè)核心供電的電源都能夠提供給DSP芯片2 A以上的電流，直至I/O電源上電為止。

4 結(jié) 語(yǔ)

千兆以太網(wǎng)在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中的廣泛運(yùn)用是時(shí)代發(fā)展的需求，是技術(shù)進(jìn)步的必然趨勢(shì)，筆者主要根據(jù)以往嵌入式以太網(wǎng)占用了較多DSP的問(wèn)題進(jìn)行研究分析，將新型的嵌入式的處理器形式構(gòu)建了出來(lái)，提出了專用千兆以太網(wǎng)控制器通信技術(shù)的觀點(diǎn)，并對(duì)這門(mén)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為該行業(yè)未來(lái)的研究及發(fā)展方向做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

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