如何去设计一种多DSP系统的高速主机接口？

　　在现代通信、雷达和声纳系统中，随着实时处理要求的不断提高，对数字信号处理系统也提出了更高的要求。板载多片高性能的DSP芯片，配合大容量的SDRAM，可以很好地满足上述要求，并且已经成为了数字信号处理系统发展的趋势。采用CPCI总线集成系统，可以方便主机进行调试，控制和管理DSP系统。系统中的主机接口可以使主机通过CPCI总线访问板上的DSP和SDRAM芯片，这是多DSP系统设计的关键点之一。
　　不同于以往简单地使用一个CPLD进行粘合逻辑设计，本文提出了一种基于双状态机＋Cache，预存预取的主机接口设计结构。在主机接口中设立了一个Cache，降低了CPCI总线与板上DSP和SDRAM芯片的耦合度，并且设计了两个独立状态机分别进行控制。这显著提高了主机访问DSP和SDRAM的速度，为DSP系统的应用提供了更广阔的平台。本文详细阐述了如何完成CPCI总线和DSP、SDRAM芯片间的数据传输，分析了设计难点，并给出了逻辑框图。
　　1 系统设计方案
　　
　　图1是系统设计框图，系统采用PLX公司的PCI9656接口芯片，它可以很方便地将时序相对复杂的PCI协议转化为相对简单的局部端访问协议。在基本不损失性能的同时，简化了逻辑设计要求，使开发者可以更为关注后端数据接口问题。
　　采用Xilinx公司的X2V1000它有近100万门的逻辑资源和720KB的BlockRAM可以灵活搭建控制逻辑和Cache缓存DSP采用ADI公司的…
　　FPGA采用Xilinx公司的X2V1000，它有近100万门的逻辑资源和720KB的BlockRAM，可以灵活搭建控制逻辑和Cache缓存。
　　DSP采用ADI公司的ADSP-TS201S，共有4片，工作频率是600MHz，总共可以提供14.4GFLOPS的运算能力。
　　SDRAM采用Hynix公司的HY57V561620C，容量共有128MB，可以基本满足数据存储的要求。
　　2 FPGA的接口设计
　　2.1 FPGA在系统中的作用
　　FPGA主要实现如下功能接口：（1）DSP接口。提供一个PCI Local总线到DSP共享总线的界面，完成两套总线之间的逻辑仲裁及读写控制信号等；（2）SDRAM接口。提供一个PCI Local总线到SDRAM总线的界面；（3）FLASH接口；（4）链路口；（5）Register管理模块。图2给出了FPGA的各种接口与系统其他部分的关系图。本文将重点讨论主机和DSP、SDRAM间的访问。
　　设计思想
　　PCI局部端的时钟是66MHz，而DSP共享总线为100MHz，时钟的不匹配会给逻辑设计提出很多时序方面的问题。另外，PCI局部端数据总线是32位，而SDRAM数据总线是64位，如何匹配数据宽度也是一个问题。而且PCI局部端和DSP、SDRAM在控制时序上也有很大差别。
　　图1中显示的是共享总线结构，DSP、SDRAM和FPGA都挂在DSP的外部总线上。DSP之间的通讯可以使用DSP总线；各个DSP访问SDRAM时，也要选择DSP总线；而且当主机访问DSP通讯时，也会不可避免地使用DSP总线。因此不难得出这样的结论：DSP总线将可能成为系统的瓶颈所在。所以在设计主机接口时，必须提高总线的使用效率，减少申请DSP总线的次数，每次申请使用DSP总线时都要尽可能多地传输数据。
　　在微处理器设计中，Cache被用来缓存数据、解决高速CPU访问低速存储器时的瓶颈问题。为了解决上述两大问题，在FPGA的设计中也采用了类似Cache的结构来隔离不同总线间的传输。在Cache的两边有两个状态机来控制Cache的读写和总线数据的访问。使用Cache后，DSP共享总线和PCI局部端总线将被去耦合，这样可以使两级总线的数据吞吐量都尽量达到自己的峰值速度。FPGA内部有丰富的存储资源，大块的BlockRAM可以方便地搭建成Cache；而且Cache越大，越能提高主机访问DSP和SDRAM的效率，减小占用DSP总线的时间，从而可以缩短DSP间通过DSP总线互访时的等待时间。
　　
　　图3是DSP/SDRAM接口框图，都是基于双状态机加上Cache结构。两个状态机同时监测Cache当前空、满或是数据个数等状态，以决定其动作；另外状态机间还有命令通道，局部端状态机用它向DSP/SDRAM端状态机发出命令。由于这部分跨越了两个不同频率的时钟域，因此必须加上同步电路以防止寄存器不定态的产生。
　　SDRAM接口与DSP接口不同处是它还有一个标准的SDRAM控制器，负责将自定义的SDRAM读写命令翻译成SDRAM控制信号线RAS#、CAS#和WE#的组合。将SDRAM控制器独立出来可以使得设计更加模块化，避免SDRAM端状态机过于庞大。
　　2.3 DSP/SDRAM接口的实现
　　主机访问DSP时，必须遵守DSP的流水线协议，其中重要的是读写时的流水深度：读操作时流水深度始终为四个周期，写操作时流水深度始终为一个周期。主机执行来自或去往DSP的突发操作时，支持超过四字的连续突发操作。当主机发出突发首地址，只要BRST#信号有效，DSP就在内部对地址累加。首次传送的起始地址和最后一次传送的结束地址必须四字对齐。这里只支持DSP端4字突发。
　　每次主机开始访问DSP/SDRAM时，PCI局部端使用LHOLD和ADS#来启动一次传输，LWR＝0表明是读过程。局部端状态机向DSP/SDRAM端状态机发出start命令。开始时Cache为空，而且DSP/SDRAM提供数据要超过一段时间，所以在读操作的开始阶段要无效ready_n使局部端等待。DSP/SDRAM端状态机接收到局部端状态机的start信号后，开始从DSP/SDRAM读出数据，填入Cache中。
　　当预定义的数目被满足后，局部端状态机使ready_n有效以允许当前的读操作。DSP/SDRAM端将会根据用户设定是否突发读写DSP/SDRAM的方式，一直连续地读DSP/SDRAM数据，写入Cache中。除非接收到stop命令才回到IDLE状态，或是在Cache快要填满进入等待状态，放弃DSP共享总线，这样可以使4片DSP之间的数据传输尽可能少地***扰。每次主机读DSP/SDRAM时，都会直接从这个Cache中读出数据。如果Cache中的数据少于预定义的数目，则ready_n将被无效，以使当前的数据传送等待。一旦LHOLD信号无效（当前这段PCI传送结束）或是局部端地址不连续了（局部端有一个地址寄存器，它标志Cache中下一个数据的地址，如果它和当前局部端地址不同表示预取的Cache已经无效），局部端状态机就向DSP/SDRAM端状态机发出stop命令。DSP/SDRAM端状态机清空Cache，准备下一次访问。读SDRAM的同时开启一个定时器，一定的时间间隔内要在读命令中插入刷新命令，防止数据丢失。
　　主机写DSP/SDRAM的操作过程因为有Cache的存在显得很简单。因为局部端和DSP/SDRAM端之间有Cache完全隔离，所以局部端状态机只要判断Cache中还有足够的空余位置就开始往Cache中分别写入地址和数据（两者是一一对应的）。局部端状态机在写的过程中，根据PCI9656的blast#信号来判断单次还是突发以及突发是否结束；如果Cache中空余位置少于4个则进入等待状态。DSP/SDRAM端状态机一旦看到Cache不为空，便从Cache中读出地址和数据，整合了一段数据后开始申请DSP共享总线，按照协议规定的时序要求将数据写到DSP/SDRAM中。对DSP的写操作就像写SRAM一样简单方便；写SDRAM稍微复杂一些，除了要像读一样插入刷新命令外，每次写SDRAM到了页末时必须及时发出预充电命令，防止地址错误地回转到页首；另外每次写完SDRAM后同样发出预充电命令，关闭本页，防止在同一个Bank内打开两页。
　　接口性能
　　33MHz、32位的PCI总线理论极限速度是132MB/s，实际速度要有一些折扣。由于FPGA访问DSP和SDRAM理论带宽分别有300MB/s和600MB/s，因此DSP/SDRAM接口的瓶颈在PCI端。在研华MIC3358主板上，主机无其他任务，重复访问DSP内部一段64KB数据的测试环境下，接口的DMA读速度有90MB/s，DMA写有38MB/s。与此同时，Bittware的同类型板卡Tiger-6U-cPCI的DMA读速度是86MB/s，DMA写速度最高可以达到40MB/s。两者的DSP接口访问速度基本相同，但是在Bittware的设计里，主机要访问SDRAM，必须要借助DSP的SDRAM控制器，占用DSP的一个FLYBY通道，会影响DSP的正常运转。本系统提供了一个主机直接访问SDRAM的接口。
　　本文首先提出了一个通用DSP系统的设计方案，主要给出了FPGA在系统中的位置和作用。然后简要介绍了FPGA的各个功能模块，着重针对DSP和SDRAM接口进行了讨论，针对数据宽度和时钟速率不匹配的特点，提出双状态机+Cache的设计结构，给出相应的FPGA设计框图和设计思路。比较国际上知名的其他板卡，本系统的DSP接口的访问速度已经达到了较高水平；一个高访问速率的主机接口的建立，可以使得系统运行中的主机控制DSP过程尽可能少地影响DSP系统的运行。而一个高访问速率的SDRAM接口的建立，也为主机和处理板间大容量数据交换提供了可能，这一点在进行数据存储和雷达信号处理中尤其有用。该设计已经被应用于某大型信号处理系统，取得了良好的效果。