基于FPGA与DSP的高速通信接口设计与实现

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在雷达信号处理、数字图像处理等领域中，信号处理的实时性至关重要。由于FPGA芯片在大数据量的底层算法处理上的优势及DSP芯片在复杂算法处理上的优势，DSP+FPGA的实时信号处理系统的应用越来越广泛。ADI公司的TigerSHARC系列DSP芯片浮点处理性能优越，故基于这类。DSP的DSP+FPGA处理系统正广泛应用于复杂的信号处理领域。同时在这类实时处理系统中，FPGA与DSP芯片之间数据的实时通信至关重要。 TigerSHARC系列DSP芯片与外部进行数据通信主要有两种方式：总线方式和链路口方式。链路口方式更适合于FPGA与DSP之间的实时通信。随着实时信号处理运算量的日益增加，多DSP并行处理的方式被普遍采用，它们共享总线以互相映射存储空间，如果再与FPGA通过总线连接，势必导致FPGA与DSP的总线竞争。同时采用总线方式与FPGA通信，DSP的地址、数据线引脚很多，占用FPGA的I／O引脚资源太多。而采用链路口通信不但能有效缓解DSP总线上的压力，而且传输速度快，与FPGA之间的连线相对也少得多，故链路口方式更适合于FPGA与DSP之间进行实时数据通信。
参考文献给出TS201与TS101的性能比较，但没有针对两者的链路口进行详细介绍，本文对两者的链路口进行了细致的分析和比较。文献所设计的采集系统中，DSP与FGA的通信仅限于FPGA发、TS101收的单工通信；文献给出了FPGA内部没计TS101链路口的框图，但只给出了简单的介绍，无法给设计者以参考。本文采用Altera公司Cyclone系列芯片EP1C12实现了与TS101／TS201两种芯片的链路口的双工通信，并给出了具体的设计实现方法。其中TS101的设计已经成功应用于某信号处理机中。
1 TS101和TS201的链路口分析与比较
TS101和TS210都是高性能的浮点处理芯片，目前两者都广泛应用于复杂的信号处理领域。TS201是继TS101之后推出的新型芯片，核时钟最高可达600MHz，其各类性能也相对优于TS101，而且TS201的链路口采用了低压差分信号LVDS技术，功耗更低、抗噪声性能更好。表1列出了两种芯片链路口性能的详细比较，其中TS101核时钟工作在250MHz，TS201核时钟工作在500MHz。


限于篇幅，TS101、TS201的链路口结构请参阅参考文献。由于TS101收发端共用一个通道，所以只能实现半双工通信。而TS201将收发端做成两个独立通道，可实现全双工通信，理论上数据的传输速率可以提高一倍。虽然TS201的链路口收发通道独立，但实际上二者的收发机制大体相同，都是靠收发缓存和移位寄存器收发数据。然而FPGA内部的链路口设计不必拘泥于此，只要符合链路口通信协议并达成通信即可。

2 FPGA与DSP的链路口通信
2.1 链路口通信协议分析
   TS101的链路口共有11根引脚，通过8根数据线(LxDAT[7..0]，这里x可以是0、1、2或3，代表TS101或TS201的0号～3号链路口中的一个，以下同)进行数据传输，并采用3根控制线(LxCLKOUT、LxCLKIN、LxDIR)来控制数据传输时钟、通信的握于和数据传输方向。其中LxDIR为通知链路口当前工作状态是接收或发送的输出引脚，可悬空不用。TS201的链路口共24根引脚，接收和发送各12根引脚，通过LVDS形式的数据线(LxDAT_P／N[3..0])和时钟线(LxCLK_P／N)进行数据传输，并采用LxACK和LxBCMP#(‘#’代表信号低有效)来通知接收准备好和数据块传输结束。
采用FPGA与DSP通过链路口通信的关键是令双方通信的握手信号达成协议，促使数据传输的进行。实际上，如果考虑TS201的LVDS信号形式已经被转换完毕，则TS101和TS201链路口传输的数据形式是一样的，都是时钟双沿触发的DDR数据，并且每次传输的数据个数都是4个长字(即128bit)的整数倍。鉴于以上两种芯片链路口数据的共同点，所以采用FPGA与两类芯片通信时，接收和发送的数据缓存部分的设计应该是很相近的，只是通信握手信号部分的设计应当分别加以考虑。下面分别给予介绍。
2.2 基于FPGA的TS101链路口设计
图1给出了FPCA与TS101进行半双工链路口通信的设计(对LxCLKOUT、LxCLKIN均以FPCA的角度来叙述)，该接口由接收、控制和发送三部分组成。本设计FPGA时钟为40MHz，TS101核时钟上作在250MHz，链路口时钟设定为DSP核时钟的8分频，FPGA与DSP的实际数据传输率为62.5MBps。


(1) 接收部分：由编码和缓存两部分组成。由于链路口的数错是DDR形式的，不方便数据的缓存，本文采用QuartusII Megafunctions中的altddio模块将上升沿数据和下降沿数据分开。注意这个模块的下降沿数据输出会滞后上升沿数据1个时钟周期，输出时应该用链路口时钟信号(LxCLKIN)通过D触发器来将数据对齐。该模块的inclock一定要用链路口时钟信号以保证数据的正确读取，如图2所示。又由于DSP内部数据是32位的长字，所以写入接收缓存前应该用一组D触发器将数据进行32bit对齐，这里注意DSP链路口先传输32位数据中的低8位。




(2) 控制部分：由令牌转换模块和控制模块组成，是整个设计的核心部分，完成对各部分的控制和与FPGA内部进行通信(通过CTL一组信号)。TS101的链路口通信握手是靠两根时钟信号验证令牌指令完成，即当发送端驱动原本为高的LxCLKOUT信号为低电平，以此作为令牌请求向接收端发出。如果接收端准备好接收，则接收端驱动LxCLKIN为高；如果令牌发出6个时钟周期后，LxCLKIN信号仍然为高，则肩动数据传输(以上时钟信号都以发送端视角分析)。本设计中，令牌转换模块负责验证令牌和发送令牌。这里要注意，由于用来验证令牌低电平个数的时钟信号(PLL_32ns)是由FPGA时钟信号(CLK)通过锁相环倍频得到，与DSP链路口时钟异步，故验证令牌时，当计数器计到5个低电平时即可认为已达成通信握手，否则可能会丢失数据。达成握手后通知控制模块向接收或发送缓存输出控制信号，其中接收控制信号包括写缓存时钟和写使能。发送控制信号包括读缓存时钟、读使能和DSP中断信号(DSP_IRQ)，其中写缓存时钟通过对链路口时钟分频得到，读缓存时钟由锁相环倍频FPGA工作时钟得到。
(3) 发送部分：与接收部分类似，也南编码和缓存两部分组成，相应的设计基本相同，这里不作过多介绍。由于DSP链路口每次传输数据个数的最小单位是4个32位字，即8个链路时钟周期，所以发送时钟廊该每8个时钟周期一组，以凑够128bit，避免传输错误，其中多余无效的数据DSP可以自行舍去。发送部分采用DSP外部中断方式而不是链路口中断方式通知DSP接收数据。
TS101的链路口通信协议要求链路口接收端在传输启动一个周期后，将其LxCLKOUT拉低，若可以继续接收，在下一个周期再将其拉高，以此作为连接测试。实际运行中发现，当FPGA接收数据时，可将LxCLKOUT信号一直驱动为高，不必做特殊的连接测试也能正确接收数据。另外，发送链路口数据时，由于发送缓存中已经对应仔好了要发送的8bit数据，故可以使用对FPGA时钟信号(CLK)倍频得到的PLL_16ns信号来读发送缓存，读出的数据即链路口发送数据，再对PLL_16ns信号的下降沿分频得到链路口的发送时钟信号。
限于篇幅，本文只给出FPCA接收TS101数据的时序图，如图3所示。LxCLKIN、LxDAT[7..0]是DSP的链路口输出时钟和数据，LxCLKOUT是FPGA的回馈准备好信号。仿真中链路口数据采用1F～3E(十六进制)的32个8bit数据，即从2221201F到3E3D3C3B的8个32bit数据；PLL_32ns信号是FPGA内部锁相环产生的与DSP链路口时钟异步的32ns时钟信号，用来校验令牌指令；W_FIFO_EN信号足写缓存使能信号，当令牌验证后使能接收缓存；DSP_DAT信号是DSP通过链路门传输的32bit数据，通过对链路口数据的编码得到；W_BUF_CLK信号由链路口时钟分频处理得到，将上升沿对应的32bit DSP数据写入接收缓存，完成接收过程。


2.3 基于FPGA的TS201链路口设计
图4给出了FPGA与TS201进行链路口通信的设计框图。由于TS201的握手信号较多，所以相对TS101的链路口设计容易些。本设计FPGA时钟50MHz，TS101核时钟500MHz，链路口时钟为DSP核时钟的4分频，采用4bit方式，单向实际数据传输速率为125MBps。


TS201的链路口数据和时钟采LVDS信号，具有速率高、功耗低、噪声小的优点。Cyclone系列芯片不仅支持LVDS信号，还集成了LVDS转换模块，这给设计提供了很大方便。应该注意的是，在硬件设计时LVDS信号两极的PCB走线要匹配，并且注意匹配电阻网络的接入。
TS201的链路口有1bit和4bit两种传输方式，本文以4bit为例进行设计。图4给出的信号都是经LVDS转换后的信号。由于TS201的收发做成了两个单独的通道，FPGA的设计也应该相应地设计为两个通道，真正做到全双工通信，收发互不影响。接收与发送部分与TS101的设计基本相同，发送部分也采用外部中断方式通知DSP接收链路口数据。TS201的通信握手信号有ACK和BCMP#信号。其中ACK信号用来通知接收准备好，在实时信号处理中，一般不允许数据传输的等待，故将这个信号置为准备好。BCMP#信号用于通知数据块传输的结束，当能确定DMA传输数据个数时，可以将此引脚悬空。
TS201链路口的收发机制非常相似，本文仅给出发送数据时序图，如图5所示。L1_IRQ是FPGA发给DSP的外部中断，用来通知DSP收数据；L1_ACKI是DSP的接收准备好信号；R_BUF_EN是读发送缓存使能信号；链路口时钟L1_CLKOUT是以读缓存时钟R_CLK下降沿的二次分频，对应从缓存中读出的4bit链路口数据L1_DA-To。注意这里读缓存及时钟分频时会有纳秒级的延迟。


3 DSP的相应设置
TS101和TS201的链路口都配置了控制寄存器(LCTLX)和状态奇存器(LSTATx)两组寄存器。LCTLx用来控制链路口的传输，LSTATx用来通知链路口的工作状态。TS101链路口时钟频率可以是核时钟的8、4、3或2分频，通过设置LCTLx中的SPD位米完成，本文设计将SPD位置000，即为核时钟8分频。由于TS201的接收发送通道独立，所以其控制寄存器分为接收控制寄存器(LRCTLx)和发送控制寄存器(LTCTLx)。TS101链路口发送时钟频率可以与核时钟相同或为其4、2、1.5分频，通过设置LTCTLx中SPD位来完成。本文设计将SPD位置100，即为核时钟4分频，并将LRCTLx／LTCTLx中(接TDSIZE位置1，设置成4bit传输方式。如果BCMP#信号悬空，注意一定要将LRCTLx巾RBCMPE位置0。
有两种方法启动DSP的链路口DMA传输：利用链路中断和利用DSP的四个外部中断(IRQ0～IRQ3)。两种中断方式都需要在中断服务程序中对DMA的TCB寄存器进行配置来启动链路口的接收DMA通道。鉴于外部中断的优先级高于链路口中断，可以避免数据丢失，本文设计的通信方式均以外部中断方式通知DSP接收数据。在DMA的TCB寄存器配置过程中，为了保证程序不被其他中断打断，可以在中断服务程序开始时就把所有其他中断屏蔽掉，存中断服务程序返回之前再把屏蔽掉的中断位还原。
本文对TigerSHARC系列的两种典型DSP芯片的链路口进行了分析和比较，并给出了FPGA与这两种DSP芯片进行链路口通倍的具体方法。在FPGA内部实现了DSP链路口的设计，同时给出了DSP进行链路口通信的具体设置方法。由于实时处理中数据的重发会严重影响处理的实时性，故本文的链路口通信设计没有对所传输的数据进行校验。本文给出的基于FPGA路口设计具有很强的通用性，可以应用于基于TS101／TS201的多种应用系统中，提高系统内部的通信能力；也可用于板间DSP的数据传输，提高系统外部的通信能力。