如何设计嵌入式FIFO数据传输系统？

嵌入式设备由于具有硬件可在线配置，实现灵活等特点，使得其应用越来越广泛。尤其在基于FPGA的硬件系统中应用较多，目前在许多产品中实现了嵌入式网口、嵌入式PCI/PCI-E、嵌入式USB等各种模块。但在DSP中实现嵌入式设备还比较少，一般DSP都直接集成这些设备模块，用户选择不同型号的DSP芯片以满足产品应用要求。但对于一些较为特殊的嵌入式设备，DSP也可以实现该功能。

ti公司的DSP芯片C6727B，由于其片内集成dMAX模块，使得实现嵌入式FIFO成为可能。其实现嵌入式FIFO的本质就是将DSP的片内一段RAM空间设置成FIFO空间，FIFO和外部设备的数据交换由EMIF接口完成。该FIFO的数据读写不需要DSP的CPU参与，从而提高整个系统性能，实现数据交换和数据处理的同时进行。如何设计嵌入式FIFO数据传输系统？该怎么进行设计、配置及其使用？这些问题谁知道答案吗？

王蓓

2019-8-8 17:28:17

dMAX及其结构
dMAX（Dual Data Movement Accelerator，双向数据传输加速器）是TI公司的DSP芯片C6727B特有的一种片内设备。应用dMAX和EMIF（External Memory Interface，外部存储器接口）可以实现片内RAM、片内和片外设备以及两个片外设备之间的数据传输。dMAX模块的内部结构如图1所示。

图1 dMAX内部结构图
从图中可以看出，dMAX主要由事件和中断处理模块、事件编码器、传输事件模块等组成。事件模块分成高优先级和低优先级两个相互独立的模块，各自有独立的事件入口和事件参数表，和CPU有独立的接口。使得dMAX可以同时处理两个不同的事件。当访问CPU端口时，MAX0的优先级高，MAX1的优先级低。dMAX能够通过执行先进的一维、二维与三维数据的存储器传输工作，从而使DSP得以专注于信号处理任务，显著提高系统性能。适合图像的子帧提取或者语音信号的子信道提取。
DSP内部的数据交换中心在dMAX的控制下，可以实现片内RAM、EMIF以及HPI接口之间的数据交换。本文介绍在dMAX控制下，实现片内RAM和EMIF接口之间的数据交换。如果DSP采用普通的异步接口方式，数据传输需要建立、选通和保持3个阶段，最少需要5个EMIF时钟（建立和保持各1个时钟，选通3个时钟）。为了保证通信的可靠性，一般采用10个EMIF时钟（建立3个时钟，保持2个时钟，选通5个时钟）。而EMIF时钟最快为133MHz；这样，采用异步接口的通信速率一般为13.3M×32b/s（采用32位数据总线宽度）。此外，异步接口数据传输必须在CPU的参与下，使用指令实现数据搬移。将占用大量的CPU开销，在很多高速的数据采集和处理中，将降低系统的整体性能。为此，采用dMAX实现嵌入式FIFO数据传输克服异步传输的缺点，其传输采用突发读写方式进行，可以连续突发读写8个数据，一共只需要20个时钟，通信速率提高为53.2M×32b/s，提高4倍读写速率。还可以采用和DMA后台运行，这样将大大降低整个系统数据读写的开销，从而可以实现更加复杂和可靠的算法处理。
嵌入式FIFO设计
嵌入式FIFO的设计主要就是控制FIFO的7个参数。这7个参数分别为基地址、空间大小、空标志、满标志、错误标志、读指针和写指针。它们之间的关系如图2所示。

图2 FIFO结构示意图
基地址和空间大小用于规划出一段内存空间，该内存空间用于FIFO设备，并被FIFO设备保护起来，使得其他设备和程序不能访问该空间。为了便于操作方便，空间大小一般为2的整数次幂，但不做要求。具体到C6727B型号的DSP，空间大小最大为1M个元素，元素大小可以是8位、16位或者32位数据，不能为其他类型的数据。基地址可以为内存空间的任何一个地址，同样为了操作方便，一般为空间大小的边界点。例如，8个元素的FIFO，其基地址一般为XXXXX000b，也就是地址的低3位为0，基地址就肯定为8的整数次。同样，64个元素的FIFO，其低6位为0。基地址和空间大小的特殊要求避免访问时的地址跨越多页问题，可以提高FIFO的访问速度。
空标志和满标志用于表示FIFO的存储状态。读指针和写指针用于表示读写的当前地址。错误标志表示对FIFO的错误操作。当FIFO处于满标志情况下仍然写FIFO，或者FIFO处于空标志情况下仍然读FIFO，FIFO都将终止当前操作，并将错误标志置位。
FIFO的写操作只有一种工作方式，即每次写一个新的数据，写指针加1，直到写满。而FIFO读操作有两种工作方式，分别为标准操作和多阶延迟（Multi-tap Delay Transfer）操作。标准操作和写操作一样。多阶延迟操作一般用于滤波处理，当需要对输入信号进行滤波处理时候，每次希望从FIFO读取一段窗口的数据，进行滤波处理，数据窗口仍然只移动一个数据。在标准操作情况下，如果读取一段窗口的数据，FIFO则将该段窗口的数据全部弹出。多阶延迟操作则只弹出一个数据。该操作方法对语音或者AD采样数据的平滑、FIR等滤波非常适用。需要注意的是，多阶延迟操作的数据窗大小需要设置，如果FIFO存储的数据个数小于数据窗，FIFO则终止当前操作，并给出错误标志。

dMAX及其结构
dMAX（Dual Data Movement Accelerator，双向数据传输加速器）是TI公司的DSP芯片C6727B特有的一种片内设备。应用dMAX和EMIF（External Memory Interface，外部存储器接口）可以实现片内RAM、片内和片外设备以及两个片外设备之间的数据传输。dMAX模块的内部结构如图1所示。

图1 dMAX内部结构图
从图中可以看出，dMAX主要由事件和中断处理模块、事件编码器、传输事件模块等组成。事件模块分成高优先级和低优先级两个相互独立的模块，各自有独立的事件入口和事件参数表，和CPU有独立的接口。使得dMAX可以同时处理两个不同的事件。当访问CPU端口时，MAX0的优先级高，MAX1的优先级低。dMAX能够通过执行先进的一维、二维与三维数据的存储器传输工作，从而使DSP得以专注于信号处理任务，显著提高系统性能。适合图像的子帧提取或者语音信号的子信道提取。
DSP内部的数据交换中心在dMAX的控制下，可以实现片内RAM、EMIF以及HPI接口之间的数据交换。本文介绍在dMAX控制下，实现片内RAM和EMIF接口之间的数据交换。如果DSP采用普通的异步接口方式，数据传输需要建立、选通和保持3个阶段，最少需要5个EMIF时钟（建立和保持各1个时钟，选通3个时钟）。为了保证通信的可靠性，一般采用10个EMIF时钟（建立3个时钟，保持2个时钟，选通5个时钟）。而EMIF时钟最快为133MHz；这样，采用异步接口的通信速率一般为13.3M×32b/s（采用32位数据总线宽度）。此外，异步接口数据传输必须在CPU的参与下，使用指令实现数据搬移。将占用大量的CPU开销，在很多高速的数据采集和处理中，将降低系统的整体性能。为此，采用dMAX实现嵌入式FIFO数据传输克服异步传输的缺点，其传输采用突发读写方式进行，可以连续突发读写8个数据，一共只需要20个时钟，通信速率提高为53.2M×32b/s，提高4倍读写速率。还可以采用和DMA后台运行，这样将大大降低整个系统数据读写的开销，从而可以实现更加复杂和可靠的算法处理。
嵌入式FIFO设计
嵌入式FIFO的设计主要就是控制FIFO的7个参数。这7个参数分别为基地址、空间大小、空标志、满标志、错误标志、读指针和写指针。它们之间的关系如图2所示。

图2 FIFO结构示意图
基地址和空间大小用于规划出一段内存空间，该内存空间用于FIFO设备，并被FIFO设备保护起来，使得其他设备和程序不能访问该空间。为了便于操作方便，空间大小一般为2的整数次幂，但不做要求。具体到C6727B型号的DSP，空间大小最大为1M个元素，元素大小可以是8位、16位或者32位数据，不能为其他类型的数据。基地址可以为内存空间的任何一个地址，同样为了操作方便，一般为空间大小的边界点。例如，8个元素的FIFO，其基地址一般为XXXXX000b，也就是地址的低3位为0，基地址就肯定为8的整数次。同样，64个元素的FIFO，其低6位为0。基地址和空间大小的特殊要求避免访问时的地址跨越多页问题，可以提高FIFO的访问速度。
空标志和满标志用于表示FIFO的存储状态。读指针和写指针用于表示读写的当前地址。错误标志表示对FIFO的错误操作。当FIFO处于满标志情况下仍然写FIFO，或者FIFO处于空标志情况下仍然读FIFO，FIFO都将终止当前操作，并将错误标志置位。
FIFO的写操作只有一种工作方式，即每次写一个新的数据，写指针加1，直到写满。而FIFO读操作有两种工作方式，分别为标准操作和多阶延迟（Multi-tap Delay Transfer）操作。标准操作和写操作一样。多阶延迟操作一般用于滤波处理，当需要对输入信号进行滤波处理时候，每次希望从FIFO读取一段窗口的数据，进行滤波处理，数据窗口仍然只移动一个数据。在标准操作情况下，如果读取一段窗口的数据，FIFO则将该段窗口的数据全部弹出。多阶延迟操作则只弹出一个数据。该操作方法对语音或者AD采样数据的平滑、FIR等滤波非常适用。需要注意的是，多阶延迟操作的数据窗大小需要设置，如果FIFO存储的数据个数小于数据窗，FIFO则终止当前操作，并给出错误标志。

贾埃罗

2019-8-8 17:28:20

系统硬件结构
C6727B和其他DSP有一个较大的区别，就是C6727B不再提供专门的外部中断引脚，而是采用GPIO引脚和dMAX配合使用，通过寄存器的设置将GPIO引脚配置成外部中断引脚。本文为了实现FIFO的实时操作，一旦外设向FIFO写入数据，即发出中断信号到DSP的CPU，通知CPU读取数据。为此，需要使用1个外部中断引脚，将C6727B的音频串口的AXR[8]配置成通用的GPIO引脚，并在dMAX中设置成中断引脚。此时需要将音频串口的CONFIGMACSP0寄存器设置为0x0001，如图3所示。此时音频串口不能再作为普通的音频口使用，而是配置成IO接口。

图3 中断功能设置框图
从图3中可以看出，配置好音频串口后，一旦AXR[8]引脚有上升沿到，则McASP0激活dMAX的事件26，向CPU发送内部中断13。McASP的与中断相关的寄存器配置是实现以上方案的重点。使用PFUNC寄存器将其配置成通用IO引脚；PDIR寄存器控制IO引脚的方向；如果是输出引脚则由POUT引脚输出高低电平，如果是输入引脚，则由PDIN寄存器读出该引脚的状态；此外，可以使用PDCLR和PSET寄存器清除或者设置输出引脚的状态。
系统软件设计
系统软件设计主要包括McASP的初始化、dMAX的初始化、FIFO的初始化、中断使能等。系统主程序只需要等待中断进行相应的处理，主要的数据传输工作都是dMAX按照软件配置自动完成，不需要CPU参与。图4是实现由外设写FIFO，DSP读取FIFO数据的流程。图中虚线部分表示由dMAX独立完成的工作，实线部分表示由CPU完成的工作。两者之间通过内部中断方式实现状态的交流。

图4 系统软件流程
为了提高FIFO的读写速率，一般采用突发方式进行读写。突发方式的读时序如图5所示。写时序和读时序类似。突发方式一次最多只能读写8个数据，也可以一次突发读写4个或者2个数据。突发读写时数据的建立和保持时间最少可以设置成1个时钟周期，如图中所示。但为了通信可靠，一般采用2个时钟周期。突发方式最大的节省时间是连续的其他数据将不再需要建立和保持周期，而是直接进行读写，一般只需要两个时钟周期就可以完成一个数据的读写。最快情况下，突发读写8个数据只需要20个时钟周期，读写速率达到53.2M×32b/s，满足大部分设备的要求。

图5 突发读时序图
总结
dMAX的特有结构使得其可以实现嵌入式FIFO。本文介绍了基于C6727B的dMAX的基本结构以及基于dMAX的嵌入式FIFO软硬件设计，设置通用GPIO引脚作为中断，为了加快FIFO的传输速率，使用突发读写方式进行数据传输。嵌入式FIFO的实现，使得DSP和外部设备的通信更加方便和快捷，而且不需要CPU的参与，减轻了CPU的负担，CPU可以专注于复杂的算法处理。

邢党铿

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王蓓

贾埃罗

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