基于FPGA實(shí)現DSP與RapidIO網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)

　　隨著(zhù)通訊系統的數據處理量日益增大，過(guò)去總線(xiàn)形式的體系結構逐漸成為約束處理能力進(jìn)一步提升的瓶頸。本文首先簡(jiǎn)單介紹了嵌入式設計中總線(xiàn)結構的演化過(guò)程，從而引出新一代點(diǎn)對點(diǎn)串行交換結構RapidIO。

　　在密集型實(shí)時(shí)信號處理應用中，DSP 由于其本身結構特點(diǎn)具有不可替代的位置。但是遺憾的是目前很多DSP不具有RapidIO 接口，而且也沒(méi)有ASIC 能夠為這些DSP提供RapidIO接口。為了在RapidIO 網(wǎng)絡(luò )中充分利用DSP 數據處理的優(yōu)勢，我們采用FPGA 做一個(gè)轉接橋邏輯，將DSP 的總線(xiàn)連接到一個(gè)RapidIO 的IP 核，從而實(shí)現DSP 和RapidIO 網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)。

　?。玻?總線(xiàn)結構概述

　　2.1 總線(xiàn)結構的演化

　　高速通信和超快速計算的需求日益增大，使得多處理器以及各種外部設備協(xié)同工作才能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)快速的要求。傳統的系統中，這些處理器、處理器簇、外設之間的數據交互是基于并行的共享總線(xiàn)方式進(jìn)行。從單分段總線(xiàn)到級聯(lián)的多分段總線(xiàn)，這些基于共享總線(xiàn)的體系結構中，所有的設備通訊競爭帶寬，這樣交互數據成為了整體系統性能的瓶頸。不僅如此，并行總線(xiàn)所需要的大量IO 引腳也給系統的電器性能和機械性能帶來(lái)相當的考驗。因此，提高系統性能就迫切需要一種新的體系結構。

　　目前新型的體系結構是基于點(diǎn)對點(diǎn)串行交換結構的體系。相比傳統的并行共享總線(xiàn)結構，串行交換結構中的兩個(gè)端點(diǎn)交互數據不影響其他端點(diǎn)之間的數據交互，從而大大提高了系統帶寬，除此之外，串行交換結構所需要的引腳也大大減少了，而且串行結構采用的差分線(xiàn)連接也提高了信號傳輸的距離和可靠性。當前流行的串行交換結構主要有PCI-Express，InfiniBand，RapidIO 等。這些總線(xiàn)結構的應用范圍既有交叉有各有側重。

　　2.2 RapidIO 交換結構

　　RapidIO 互連架構，它的設計與最流行的集成通信處理器、主機處理器以及網(wǎng)絡(luò )數字信號處理器相兼容，是高性能包交換互連技術(shù)。它滿(mǎn)足了高性能嵌入式系統行業(yè)對內部系統互連的需求，包括可靠性、高帶寬和更快的總線(xiàn)速率。相比PCI、PCI-X、PCIE 和Infiniband來(lái)說(shuō)，RapidIO 主要特性是具有極低的延遲性和高帶寬，并很容易實(shí)現和PCI、PCI-X、PCIE、FPDP、以太網(wǎng)等的橋接，適合用于芯片與芯片、板與板、系統與系統之間的高速數據傳輸。

　?。常?系統設計

　　3.1 工程背景

　　多片 DSP 形成處理器簇，共同完成快速實(shí)時(shí)的運算已經(jīng)成為現代信號處理機一種流行的方式。但是目前大多數DSP 都不具備RapidIO 接口，所以我們采用FPGA，將DSP 的總線(xiàn)與一個(gè)RapidIO IP 核總線(xiàn)相連接，實(shí)現DSP 與RapidIO 網(wǎng)絡(luò )的通信。

　　3.2 芯片選型

　　我們選用 Analog 的TigerShark101（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TS101） DSP， ADSP-TS101S 是TigerSHARC 處理器系列中的首款器件。FPGA 選用Altera 的Stratix II GX 60 芯片。

　　Altera 的RapidIO 的IP 核兼容于2005 年2 月發(fā)布的RapidIO 互連標準1.3，實(shí)現了3種標準速度1.25G、2.5G、3.125G 下1x/4x 的物理層協(xié)議。同時(shí)，Altera 公司的SOPC 工具提供了大量的成熟的IP 核和可裁剪的Avalon 總線(xiàn)，方便的幫助用戶(hù)實(shí)現模塊化設計。

　　3.3 系統結構

　　將 TS101 的總線(xiàn)橋接到FPGA 的Avalon 總線(xiàn)上。其中，DSP 芯片是用來(lái)做大量的數據處理，FPGA 是DSP 和RapidIO 之間通訊的橋梁。FPGA 內的RapidIO 接口有成熟的IP 核，將DSP 和RapidIO 的IP 核連接的關(guān)鍵在于實(shí)現DSP 外部總線(xiàn)到IP 核Avalon 總線(xiàn)的轉換。

　　TS101 內部有一個(gè)寄存器SYSCON，用來(lái)控制外部端口、主機接口、多處理器接口的數據位寬、插入的等待周期、流水線(xiàn)深度等設置。由于這個(gè)寄存器在上電后只能修改一次，這里我們將外部端口配置位32 位的慢速協(xié)議，完成RapidIO 的維護，門(mén)鈴等事務(wù)；將主機接口配置位64 位的流水線(xiàn)協(xié)議，完成高速的IO 事務(wù)。通過(guò)轉接橋邏輯的轉換。

　?。矗?轉接橋設計

　　4.1 轉接橋總體結構

　　轉接橋邏輯為 TS101 總線(xiàn)接口與Avalon 總線(xiàn)接口轉換器，由四個(gè)模塊及輔助電路構成。

　　4.2 總線(xiàn)模式控制電路

　　總線(xiàn)模式控制電路完成根據系統請求情況切換 TS101 總線(xiàn)端地址、數據以及相應的控制信號的輸入輸出方向、功能及狀態(tài)。其中需要控制的部分包括：數據總線(xiàn)的輸入輸出方向連接及模式控制，地址總線(xiàn)的輸入輸出方向連接及模式控制，TS101 的讀控制信號的輸入輸出方向連接及模式控制，TS101 的寫(xiě)控制信號的輸入輸出方向連接及模式控制，TS101 的ACK 信號的輸入輸出方向連接及模式控制。另外，該模塊中還完成一些控制信號的連接。

　　4.3 Host Master 模塊

　　Host_Master 模塊完成在系統工作于TS101 側控制模式時(shí)對Avalon 總線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)的總線(xiàn)時(shí)鐘切換和相關(guān)部分工作時(shí)的控制。它大致可分為四部分完成：