基于DSP与PC机的PCI总线高速数据传输

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TMS320C6713是ＴＩ公司在TMS320C6711的基础上推出的Ｃ６０００系列新一代浮点DSP芯片，它是目前为止Ｃ６０００系列DSP芯片中性能最高的一种。TMS320C6713可在２５５ＭＨｚ的时钟频率下实现１８００ＭＩＰＳ／１３５０ＭＦＬＯＰＳ的定点和浮点运算，因而可极大地满足通信、雷达、数字电视等高科技领域对信号处理实时性的要求。同时其主机口（HPI）可灵活地和ＰＣＩ总线控制器相连接。而ＰＣ机则可通过ＰＣＩ总线控制器直接访问TMS320C6713的存储空间和外围设备，从而实现ＰＣ机与TMS320C6713之间的高速数据传输。
    在TMS320C6713 DSP与ＰＣ机实现高速数据传输的方案中，可选用ＰＬＸ公司的PCI9052作为两者之间的接口；同时选用ＰＬＸ公司的ＮＭ９３ＣＳ４６作为加载PCI9052配置信息的串行ＥＥＰＲＯＭ；而用ＴＩ公司的SN74CBTD3384作为 PCI9052与TMS320C6713HPI之间的电平转换芯片。
１　TMS320C6713的HPI简介

１．１ TMS320C6713 HPI的接口信号
    TMS320C6713的HPI是一个１６位宽的并行端口。主机（上位机）掌管着该端口的主控权，可通过HPI直接访问TMS320C6713的存储空间和外围设备。表１给出了TMS320C6713HPI接口信号的基本特征。下面对它们的具体工作方式进行说明：
    ＨＤ[１５：０]：可以用作数据和地址的共用总线，通过ＨＤ[１５：０]传送的数据包括控制寄存器的设置值、初始化的访问地址以及要传输的数据。
    ＨＣＮＴＬ[１：０]：用于控制当前访问的是HPI的哪一个寄存器，该信号同时还提供了一个对HPI数据寄存器（HPIＤ）进行地址自增的访问方式。在该方式下，主机会连续地访问一个线性存储区域，而无需反复向HPIＡ写入需要的地址。表２给出了ＨＣＮＴＬ[１：０]控制信号的功能。
    ＨＨＷＩＬ信号：用于表明并区分ＨＤ[１５：０]上传输的是３２位数据中的高１６位还是低１６位。由于TMS320C6713芯片结构决定了它与主机间所有的数据交换都是３２位，而HPI端口为１６位，所以每次数据访问都需要进行两次存取，而由HPI自动将ＨＤ[１５：０]上连续的两个１６位数据合成３２位，当然，也可以用其进行反向分解。
    ＨＡＳ信号：用于复用地址数据总线的主机。它可使ＨＣＮＴＬ、ＨＨＷＩＬ和ＨＲ／Ｗ信号在一个存取周期中快速地实现状态转换。对于地址数据复用的总线来说，也可以为数据／地址的切换留出更多的时间。
    ＨＣＳ、ＨＤＳ１和ＨＤＳ２信号：这三种信号可在片内组合为一个低有效的ＨＳＴＲＯＢＥ信号，如图１所示。其作用是,在读取时，在ＨＳＴＲＯＢＥ信号的下降沿锁存输入的HPI控制信号，包括ＨＨＷＩＬ、ＨＲ／Ｗ和ＨＣ-ＮＴＬ[１：０]；而在写入时，其下降沿和读取时作用相同，其上升沿则锁存写入的数据。
    ＨＲＤＹ信号：用于表明HPI是否已准备好传输数据，其作用是在接口时序上插入等待状态。如果前一次HPI的访问尚未完成，那么当前访问的第一个半字的存取需要等待，此时，HPI会置ＨＲＤＹ信号为高。
表1 HPI接口信号描述
    信 号 管 脚 号 管 脚 数 信 号 功 能
    HD[15:1] 从低到高依次为147、152、155、154、156、159、161、164、165、166、167、168、172、173、174 16 数据/地址总线
    HCNTL[1:0] 从低到高依次是146、144 2 HPI访问类型控制
    HHWIL 139 1 确认半字（16位）输入
    HAS 135 1 对复用地址数据总线的主机区分地址和数据
    HR/W 143 1 读/写选择
    HCS 145 1 输入数据选通
    HDS1/HDS2 从低到高依次是152、151 2 输入数据选通
    HRDY 140 1 访问HPI状态准备好
    HINT 139 1 向主机发出的中断信号
    表2 HCNTL[1:0]控制信号的功能
    HCNTL1 HCNTL0 功 能
    0 0 主机可以对HPI的控制寄存器HPIC进行读写
    0 1 主机可以对HPI地址寄存器HPIA的进行读写
    1 0 主机可以对HPID的数据寄存器进行读写操作，此时HPIA采用以字为单位的地址自增方式
    1 1 主机可以对HPID的数据寄存器进行读写操作，但此时HPIA不受影响
１．２ TMS320C6713 HPI的控制寄存器
    在TMS320C6713 HPI中，可利用三个寄存器来完成主设备和ＣＰＵ的通信，它们是HPI数据寄存器（HPIＤ）、HPI地址寄存器（HPIＡ）和HPI控制寄存器（HPIＣ）。主机可对这三个寄存器进行读写，而ＣＰＵ只能对HPIＣ进行访问。HPIＤ中存放的是主机从存储空间中读取的数据，或者是主机向TMS320C6713的存储空间中写入的数据。HPIＡ中存放的是主机访问TMS320C6713存储空间的地址，其最低两位固定为零。HPIＣ中存放的是TMS320C6713的控制信息，其高１６位和低１６位内容相同。
    主机对HPI进行访问的次序为：初始化HPIＣ、初始化HPIＡ、从HPIＤ寄存器中读取或向其写入数据。在初始化HPIＣ时，ＨＷＯＢ位的设置是关键，它决定着高１６位与低１６位的传输次序。
２ PCI9052与TMS320C6713HPI的接口
    PCI9052是ＰＬＸ公司继PCI9050之后推出的用于低成本适配器的总线目标接口芯片。它支持ＰＣＩ２．１协议规范，在３３ＭＨｚ的总线时钟频率下，其峰值传输速度可达１３２ＭＢ／ｓ，因而可大大改善数据传输中的瓶颈问题。同时它还具有方便灵活的开发特点，正是这些特点使其在ＰＣＩ从模式接口卡的设计中得到了广泛的应用。
    表３给出了PCI9052与TMS320C6713HPI接口信号的基本特征。下面是对它们具体工作方式的一些说明：
    ＬＡＤ[３１：０]：利用该信号可通过设置ＬＡＳＩＢＲＤ局部地址空间总线区域描述寄存器的总线宽度位来调整总线宽度，当ＬＡＳＩＢＲＤ[２３：２２]＝００时，采用ＬＡＤ[７：０]８位宽度，当ＬＡＳＩＢＲＤ[２３：２２]＝０１时，采用ＬＡＤ[１５：０]（１６位），当ＬＡＳＩＢＲＤ[２３：２２]＝１０时，采用ＬＡＤ[３１：０]（３２位）。
    ＬＢＥ[３：０]字节使能信号是在总线宽度的基础上编码的。对于３２位总线，ＬＢＥ[３：０]表示哪一个字节被选中：ＬＢＥ０对应[７：０]，ＬＢＥ１对应[１５：８]，ＬＢＥ２对应[２３：１６]，ＬＢＥ３对应[３１：２４]；而对于１６位总线，ＬＢＥ０对应[７：０]，ＬＢＥ１对应地址的第１位，ＬＢＥ２不用，ＬＢＥ３对应[１５：８]；对于８位总线，ＬＢＥ０对应地址的第０位，ＬＢＥ１对应地址的第１位，ＬＢＥ２和ＬＢＥ３不用。
    ＣＳ１和ＣＳ２分别带有与之对应的片选基地址寄存器（ＣＳＩＢＡＳＥ）。ＣＳＩＢＡＳＥ０为片选使能位，其中ＣＳＩＢＡＳＥ[２７：１]为片选空间位。从片选空间位的第１位向第２７位扫描时，遇到第１个“１”即决定了片选空间的大小，其余位则为片选空间的基地址。
    ＬＩＮＴ１和ＬＩＮＴ２可通过中断控制／状态寄存器ＩＮＣＳＲ的中断使能位ＩＮＣＳＲ[６]进行使能，同时可设置其它相关信息。
    表3 PCI9052与TMS320C6713的接口信号描述
    信 号     管 脚 号 管脚数 信 号 功 能
    LAD[31:0] 从低到高依次为91、90、89、88、87、86、85、84、83、82、79、78、77、76、75、74、73、72、71、70、69、62、61、60、59、58、57、56、55、54、53、52 32 数据总线
    LW/R 127 1 为“1”时写，为“0”时读
    LA[27：1] 从低到高依次是92、93、94、95、96、97、98、100、101、102、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、122 27 地址总线，传输28位线性地址的高26位
    LBE[3:0] 从低到高依次是46、47、48、49 4 字节使能信号，表示当前总线传输中哪一个字节被选中
    LRDY 128 1 在局部总线读数据或可接受写数据
    ADS 123 1 表明可用地址和一次新的总线存取的起始
    CS1、CS2 130、131 2 片选信号
    RD 126 1 通用写
    WR 125 1 通用读
    LINT1，LINT2 137、136 2 局部中断输入
３　与 ＰＣ的高速数据传输
    TMS320C6713HPI与PCI9052的具体连线如图２所示。
    实际上，在具体电路设计时，整个方案的实现除了需要TMS320C6713和PCI9052外，还需要有ＳＮ７４ＣＢＴＤ３３８４和ＮＭ９３ＣＳ４６。由于TMS320C6713的Ｉ／Ｏ是在３．３Ｖ电压下工作，而PCI9052在５Ｖ电压下工作，所以TMS320C6713与PCI9052之间必须采用ＳＮ７４ＣＢＴＤ３３８４进行电平转换。SN74CBTD3384是ＴＩ公司生产的１０位总线转换器，它的输入、输出引脚一一对应，并分别排列在芯片的两侧封装。图２中共选用了三片SN74CBTD3384。ＮＭ９３ＣＳ４６是ＰＬＸ公司生产的串行ＥＥＰＲＯＭ存储器，用于加载PCI9052配置信息。其中按一定顺序存放着设备号（ＤＩＤ）、供应商代号（ＶＩＤ）、子设备号（ＳＤＩＤ）、子供应商代号（ＳＶＩＤ）、ＰＣＩ总线与局部总线之间的地址空间映射关系、片选地址、控制位、状态位及其它杂项配置等。上电时，ＰＣＩ总线的ＲＳＴ信号有效，同时PCI9052输出局部复位信号ＬＲＥＳＥＴ，并检查ＮＭ９３ＣＳ４６是否有效。若有效，且第一个１６位字不是ＦＦＦＦｈ，那么ＰＣＩ９０５０将根据串行ＥＥＰＲＯＭ的值来设置内部寄存器，否则采用默认值。
    考虑到TMS320C6713HPI与PCI9052间的时序配合问题，通常在连线过程中，还必须注意下列几个问题：
    （１）由于ＰＣ机中数据与地址总线是复用的，所以PCI9052的ＭＯＤＥ引脚应接地，而PCI9052中局部数据与地址总线是非复用的，所以TMS320C6713的ＨＡＳ引脚应接高电平。
    （２）由于 TMS320C6713的ＨＲ／Ｗ信号与PCI9052的Ｗ／ Ｒ信号极性相反，因此必须通过非门进行连接。
    （３）由于TMS320C6713与PCI9052分别工作在不同的时钟频率下，所以TMS320C6713的ＨＲＤＹ信号输出必须通过Ｄ触发器的同步后才能送入逻辑电路,以供PCI9052的ＬＲＤＹ信号使用。
    （４）ＬＲＤＹ信号的逻辑表达式为：ＬＲＤＹ＝ＲＤ．ＷＲ＋(ＣＳ１＋ＡＤＳ＋ＨＲＤＹ)，因此，只有ＲＤ或ＷＲ有效，且ＣＳ、ＡＤＳ、ＨＲＤＹ也有效时，ＬＲＤＹ才能有效。
    另外，要保证TMS320C6713 HPI与PCI9052的稳定协调工作，除了要设计合理的硬件电路外还必须对PCI9052的内部寄存器进行准确配置。关于PCI9052内部寄存器的具体配置方法，可以参考ＰＬＸ公司的用户手册，这里不再赘述。

    笔者已将该方案应用于某电力系统精确故障定位及录波装置中。其中，由TMS320C6713 DSP芯片构成的高速数据采集卡用来控制电力系统中各电参数的采集、存储与故障判断。当其HPI被设置为带地址自增的读方式时，可在一次故障记录结束后，由ＰＣ机将存储在TMS320C6713外扩ＳＤＲＡＭ中的大量数据一次性读入。读入的数据可用来计算故障发生的精确位置，分析系统中各电参数的变化情况，同时记录各继电保护装置的动作情况。
４　结束语
    该方案不仅有效地解决了TMS320C6713 DSP芯片与ＰＣ机间数据传输的瓶颈问题，而且简化了硬件设计。同时由于它支持即插即用技术。因此，由DSP构成的高速数据采集卡具有良好的可移植性。