一種基于SPI的數(shù)據(jù)交換方法研究

許亞星，徐 楠，門 茜，賈雪航

(中國航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710065)

0 引言

PowerPC芯片以其優(yōu)異的性能在工業(yè)控制領(lǐng)域逐漸得到廣泛的應(yīng)用，DSP芯片具有良好的運算性能，配合PowerPC芯片，可以大大提升系統(tǒng)的整體性能。PowerPC作為主控芯片、DSP作為對外接口擴展芯片時，兩芯片間的數(shù)據(jù)交換是影響整個系統(tǒng)性能的瓶頸。本文在兩芯片間原有的RS422總線數(shù)據(jù)交換外，增加設(shè)計了SPI總線，用來交換429數(shù)據(jù)，降低了422的總線負載，同時提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的總量和速率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

PowerPC芯片作為主控芯片，負責數(shù)據(jù)處理和控制率實現(xiàn)，芯片上行通過1394總線進行數(shù)據(jù)上傳和指令接收，下行通過DSP芯片對外進行422總線、429總線、離散量、模擬量等的數(shù)據(jù)采集和總線通信。PowerPC芯片和DSP芯片之間通過422總線和SPI總線進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中，DSP芯片采集離散量、模擬量、422數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后通過422總線發(fā)送給PowerPC芯片，PowerPC芯片經(jīng)過邏輯處理后，將處理結(jié)果通過1394總線上傳顯示。由于所有數(shù)據(jù)都通過422交換時，422總線負載過大，數(shù)據(jù)量受到限制，因此429總線數(shù)據(jù)單獨通過SPI總線進行交換，DSP芯片接收到429數(shù)據(jù)后，通過SPI總線傳輸給PowerPC，同時PowerPC將需要發(fā)送的429數(shù)據(jù)通過SPI總線傳輸給DSP，由DSP實現(xiàn)對外發(fā)送。

2 SPI總線介紹

SPI總線由摩托羅拉公司提出，是一種全雙工同步串行通信總線，通信速率可以由時鐘信號進行配置，通信雙方采用主從方式進行通信。SPI總線由四根信號線組成，分別為：CS-片選信號、CLK-時鐘信號、MOSI-主輸出從輸入信號、MISO-主輸入從輸出信號[1]。SPI總線支持一主多從通信，通信架構(gòu)如圖2所示。

圖2 SPI主從通信架構(gòu)

SPI總線的MOSI和MISO兩個數(shù)據(jù)寄存器，由雙向移位寄存器實現(xiàn)。即當產(chǎn)生CS和CLK信號時，在一個時鐘周期內(nèi)，會同時完成主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送一位數(shù)據(jù)和從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送一位數(shù)據(jù)[2]，主從設(shè)備通過移位寄存器交換數(shù)據(jù)的形式如圖3所示。

圖3 基于移位寄存器的SPI數(shù)據(jù)交換

3 系統(tǒng)設(shè)計

本文所研究系統(tǒng)的SPI總線是為了減小RS422數(shù)據(jù)的總線負載而增加設(shè)計，主要傳輸?shù)氖?29總線數(shù)據(jù)，其中PowerPC是SPI傳輸?shù)闹髟O(shè)備，DSP是從設(shè)備。分別在PowerPC和DSP軟件中創(chuàng)建若干結(jié)構(gòu)體數(shù)組，用來存放各自需要接收和發(fā)送的429數(shù)據(jù)。由于SPI總線是內(nèi)存交換的同步傳輸方式，主從方創(chuàng)建的接收發(fā)送結(jié)構(gòu)體大小應(yīng)相同，有效數(shù)據(jù)長度如果小于結(jié)構(gòu)體長度，可以用備份字補齊。

PowerPC作為主設(shè)備，運行周期任務(wù)：進行SPI數(shù)據(jù)的收發(fā)；DSP作為從設(shè)備，運行周期任務(wù)：進行429數(shù)據(jù)的收發(fā)，同時以中斷方式配合響應(yīng)PowerPC進行SPI數(shù)據(jù)的收發(fā)。為了確保SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包設(shè)置包頭和校驗和，接收數(shù)據(jù)后，需要進行解包操作，只有當解包正確時，才將接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)段讀出[3]。

進行數(shù)據(jù)收發(fā)時，PowerPC和DSP首先將需要發(fā)送的429數(shù)據(jù)放進發(fā)送緩沖區(qū)中，然后進行SPI的數(shù)據(jù)收發(fā)。因為SPI是內(nèi)存交換的同步傳輸方式，進行數(shù)據(jù)發(fā)送的同時進行了數(shù)據(jù)接收，PowerPC和DSP在SPI傳輸?shù)臅r候?qū)⒔邮盏臄?shù)據(jù)首先放入接收環(huán)形緩沖區(qū)中，然后進行解包操作。

進行解包時，首先在環(huán)形緩沖區(qū)中尋找包頭，找到包頭后按照固定的長度去讀校驗和。當接收方算出的校驗和與去讀的校驗和一致時，將中間的數(shù)據(jù)段讀出放入429接收數(shù)組區(qū)。

DSP以中斷方式接收SPI數(shù)據(jù)時，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?，在接收中斷里?yīng)進行盡量簡單的操作，只進行SPI數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送操作，而填包、解包、取數(shù)等操作則放在周期任務(wù)中進行[4]。當有多路429數(shù)據(jù)需要交換時，在PowerPC主任務(wù)周期內(nèi)，以1 ms為單位進行傳輸，即每1 ms傳輸一路429數(shù)據(jù)，在一個任務(wù)周期內(nèi)，可以將多路429數(shù)據(jù)傳輸交換完成。進行數(shù)據(jù)交換時，PowerPC和DSP的軟件設(shè)計分別如圖4和圖5所示。

圖4 PowerPC軟件流程 圖5 DSP軟件流程

4 試驗結(jié)果

按照如上設(shè)計進行硬件和軟件實現(xiàn)后，經(jīng)過試驗，在PowerPC端能夠接收到DSP發(fā)送的多路429數(shù)據(jù)，同時在DSP端也能夠接收到PowerPC發(fā)送的429數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文通過設(shè)計一種SPI數(shù)據(jù)交換方法，實現(xiàn)了兩芯片間的429數(shù)據(jù)傳輸交換，減小了422總線負載，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換速率，進一步提高了系統(tǒng)性能。