基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的多通道信號處理平臺

摘要：在ＶＯＩＰ和ＭｏｄｅｍＰｏｏｌ等許多新的應用發(fā)展的今天，多通道處理技術(shù)越來(lái)越受到重視，它不僅表現在算法研究上，而且也表現在系統實(shí)現上。結合在Ｓｍａｒｔ Ｇａｔｅｗａｙ方面的工作，提出了一個(gè)基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的多通道信號處理平臺的結構，并詳細闡述了軟硬件的組成。

關(guān)鍵詞：多通道信號處理 ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１ 處理平臺

隨著(zhù)因特網(wǎng)的發(fā)展，產(chǎn)生了Ｖｏｉｃｅ Ｏｖｅｒ ＩＰ、Ｆａｘ ＯｖｅｒＩＰ和Ｍｏｄｅｍ Ｐｏｏｌ等許多新的應用，它們都強調多通道的數據處理。傳統意義上的多通道處理是將多路的單通道處理并行安排?，F在的ＤＳＰ芯片的運算速度越來(lái)越快，以時(shí)鐘為１００ＭＨｚ的ＴＭＳ３２０Ｃ５４９為例，如果用它完成Ｇ．７２９Ａ的編解碼，一片可以支持５～６路。因此，假如我們采用高速ＤＳＰ芯片來(lái)充當信號處理的核心的話(huà)，一片高速芯片可以替代以前的幾路，使得原有的多通道處理系統可以大大地簡(jiǎn)化，在硬件上的開(kāi)銷(xiāo)減小。

１ ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的結構和性能

由美國ＴＩ公司生產(chǎn)的ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１處理器[１]硬件資源豐富，主要由三大部分組成：ＣＰＵ、外圍設備和存儲器。

Ｃ６２０１的地址總線(xiàn)為３２位，所以尋址范圍達到４ＧＢ，其存儲器空間可分為四部分：片內程序空間可以用作Ｃａｃｈｅ、片內數據空間、外部存儲空間和內部外圍設備空間?？赏ㄟ^(guò)對五個(gè)ＢＯＯＴＭＯＤＥ引腳的設置靈活設定各空間的地址范圍。片內數據ＲＡＭ包括四個(gè)８Ｋ×１６的塊，這些塊交織在一起，使得ＣＰＵ可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)數據ＲＡＭ的兩個(gè)不同塊而不會(huì )發(fā)生沖突，提高了數據并行讀寫(xiě)的能力。對于較大的程序，片內程序ＲＡＭ可當做Ｃａｃｈｅ來(lái)存儲經(jīng)常使用的代碼，減少對片外訪(fǎng)問(wèn)次數，從而提高程序運行速度。

與常見(jiàn)的芯片不同，Ｃ６２０１有八個(gè)功能單元，分為兩組，每組包括一個(gè)乘法器Ｍｎ和三個(gè)算術(shù)邏輯運算單元ＤｎＳｎＬｎ。它們分別進(jìn)行乘法運算、加減運算、線(xiàn)性和環(huán)形地址計算以及算術(shù)邏輯運算。因為輸入輸出端口相互獨立，所以８個(gè)運算單元可實(shí)現并行處理。每組運算單元對應一條數據路徑，可以用作環(huán)形地址計算。

ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的外圍設備包括ＤＭＡ控制器、主機接口ＨＰＩ、中斷選擇等。ＤＭＡ控制器允許數據傳輸在ＣＰＵ操作的后臺進(jìn)行，因此Ｃ６２０１可與外部的低速設備接口而不降低ＣＰＵ的吞吐量。Ｃ６２０１的ＤＭＡ控制器有四個(gè)獨立的可編程通道，可以進(jìn)行四個(gè)不同的ＤＭＡ操作，每個(gè)通道可根據需要傳輸８位、１６位或３２位的數據。此外，還有一個(gè)輔助通道用于響應ＨＰＩ的服務(wù)請求。主機接口使得主機設備能夠直接地訪(fǎng)問(wèn)ＣＰＵ的存儲空間。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１可通過(guò)引腳ＢＯＯＴＭＯＤＥ４０設置多種ＢＯＯＴ方式，例如直接執行方式，或從外部ＥＰＲＯＭ、主機等設備裝載程序。Ｃ６２０１允許１４個(gè)中斷，包括Ｒｅｓｅｔ、不可屏蔽中斷、串行口中斷、定時(shí)器中斷和外部中斷。ＣＰＵ通過(guò)監測ＩＡＣＫ引腳判斷中斷請求，引腳ＩＮＵＭ０～ＩＮＵＭ３標識應該服務(wù)的中斷矢量位置。

ＴＭＳ３２０Ｃ６ｘｘ的兩個(gè)多通道帶緩存的串行口，與ＴＩ公司生產(chǎn)的其他ＤＳＰ Ｃ２ｘＣ２ｘｘＣ５ｘＣ５４ｘ相同，具有支持全雙工通信，雙緩存數據寄存器結構支持連續數據發(fā)送，收發(fā)時(shí)鐘獨立等特點(diǎn)。除此之外，它還有支持多種數據格式８ｂｉｔ、１２ｂｉｔ、１６ｂｉｔ、２０ｂｉｔ、２４ｂｉｔ、３２ｂｉｔ的傳輸，Ａ律和μ律壓擴，時(shí)鐘或幀同步的編程設置和極性控制，接口方便等優(yōu)點(diǎn)。Ｃ６２ｘｘ有兩個(gè)３２位的定時(shí)器，主要用于時(shí)鐘中斷、ＤＭＡ控制器同步、事件計數等，它可由外部或內部提供時(shí)鐘。

２ 平臺的硬件構成

由于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１具備很強的運算能力，因而我們可以以它作為運算核心建立一個(gè)基于ＰＣＩ總線(xiàn)的多通道信號處理的平臺，其硬件結構如圖１所示。它包括輸入／輸出接口、并行的Ｃ６２０１芯片組、ＳＤＲＡＭ、ＰＣＩ總線(xiàn)控制和主機等五部分，每一片Ｃ６２０１可看作一個(gè)多通道處理子系統。輸入／輸出接口負責多路數據的Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ，并且有一定的復用和解復用能力；Ｃ６２０１用于信號處理和數據的接收／發(fā)送（至輸入／輸出接口）；ＳＤＲＡＭ存放接收／輸出的數據和通道上下文相關(guān)數據；ＰＣＩ總線(xiàn)控制主機與Ｃ６２０１芯片組的通信；主機負責獲取處理后的數據以及發(fā)送其本身采集的數據。

當處理程序目標代碼小時(shí)，可選用Ｂｏｏｔ方式將程序全部裝入片內；而當代碼太長(cháng)時(shí)，可選用ｃａｃｈｅ模式，將片內程序空間設為ｃａｃｈｅ，程序放在片外的ＳＤＲＡＭ或其它外設中。運行時(shí)程序根據ＣＰＵ需要部分裝入。在使用ｃａｃｈｅ工作方式時(shí)，ＣＰＵ的工作效率約為９０％。

輸入的數據先經(jīng)解復用，然后分別發(fā)給Ｃ６２０１。Ｃ６２０１通過(guò)ＤＭＡ通道自動(dòng)接收數據，并且將數據存放在ＳＤＲＡＭ中。在接收的同時(shí)ＤＭＡ也將數據輸出到輸入／輸出接口。當一幀數據接收完畢，外部緩存ＤＭＡ產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，通知Ｃ６２０１、Ｃ６２０１在接收到中斷信號后，更新其設置，即切換輸入數據的目標地址和輸出數據的源地址。與此同時(shí)，Ｃ６２０１也啟動(dòng)信號處理模塊，對接收的數據通道逐個(gè)地進(jìn)行處理。當然，在處理前需將該通道上下文相關(guān)數據從片外ＳＤＲＡＭ搬移進(jìn)片內，處理完后再將其搬移出去。在處理當前通道時(shí)，ＤＭＡ還將同時(shí)將下一通道的上下文相關(guān)數據搬移進(jìn)來(lái)。如此循環(huán)，直至所有通道都處理完畢。

ＳＤＲＡＭ存放接收和發(fā)送數據至少需要分配兩個(gè)段，一個(gè)段用于當前外部緩存ＤＭＡ使用，一個(gè)段用于內部搬移ＤＭＡ使用。

主機通過(guò)ＰＣＩ總線(xiàn)對Ｃ６２０１芯片組的ＨＰＩ進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，其訪(fǎng)問(wèn)方式設為ＤＭＡ方式。之所以采用ＰＣＩ總線(xiàn)是為了保證高速的數據傳輸。作為ＰＣＩ總線(xiàn)和ＨＰＩ橋梁的總線(xiàn)控制器可以有很多選擇，以Ｓ５９３３為例，由于Ｓ５９３３與串行ＥＥＰＲＯＭ可無(wú)縫連接，所以其初始化可在上電時(shí)由ＥＥＰＲＯＭ自動(dòng)載入。它有五個(gè)基址寄存器，它們可分別服務(wù)于ＰＣＩ控制器的寄存器、ＪＴＡＧ測試總線(xiàn)控制器、平臺的控制和狀態(tài)寄存器以及Ｃ６２０１的ＨＰＩ。ＰＣＩ總線(xiàn)上的數據可通過(guò)Ｓ５９３３的ｍａｉｌｂｏｘ寄存器、ＦＩＦＯ或直通數據通道等多種方式靈活地與平臺實(shí)現數據的交換，為基于主機的調試提供了良好的硬件基礎。

通過(guò)對整個(gè)系統的工作原理的描述中可以看出，在信號處理算法的運算速度得到保證后，整個(gè)系統的瓶頸將是Ｃ６２０１的ＤＭＡ資源。在硬件開(kāi)銷(xiāo)允許的情況下，使用快速的外設會(huì )提高系統的性能。

３ 平臺的軟件設計

根據上面介紹的硬件結構，可以根據不同的需要設計相應的系統軟件，以下僅介紹一種可靠性較高的軟件結構。

鑒于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的高速運算能力，所以在每塊芯片內部均采用線(xiàn)性結構，依照某種順序依次處理各通道的信號。芯片內部的數據ＲＡＭ分割出兩塊空間當作處理信號緩存，即用作ｐｉｎｇ－ｐｏｎｇ緩存，一塊用作當前處理，一塊用于后臺數據搬移。處理后的數據可視占用ＲＡＭ的大小，適當地安排在片內或片外，便于ＨＰＩ訪(fǎng)問(wèn)。

整個(gè)軟件采用中斷同步式控制，利用輸入信號所產(chǎn)生的中斷來(lái)觸發(fā)信號處理模塊的運行，中斷信號可以是一幀信號的結束（或開(kāi)始）。其結構如圖２，系統在進(jìn)行完初始化后，立即進(jìn)入同步信號等待。當檢測到中斷信號后，表明一幀信號接收的結束，首先關(guān)閉中斷，隨后進(jìn)行外部存儲的ＤＭＡ通道設置的更新，切換輸入信號的緩存。然后，檢測控制內部數據搬進(jìn)的ＤＭＡ狀態(tài)，如果搬移完成，更新ＤＭＡ設置，即切換處理信號的ｐｉｎｇ－ｐｏｎｇ緩存，通知存儲器接口控制單元開(kāi)始搬移下一路信號的數據。如果當前處理的是最后一個(gè)通道，則內部數據搬進(jìn)ＤＭＡ設置為下一幀第一通道。接著(zhù)進(jìn)行信號處理模塊，在當前通道信號處理完成后，首先設置內部數據搬出ＤＭＡ，將當前通道的上下文相關(guān)數據搬移到外部存儲器中保存，然后再檢測是否所有通道處理結束。若沒(méi)有，則跳回內部數據ＤＭＡ狀態(tài)檢測；若結束，則進(jìn)行系統狀態(tài)的更新。系統狀態(tài)更新完成后，打開(kāi)中斷，進(jìn)入中斷信號等待。

這樣的結構看來(lái)不夠靈活，而且僅用到了一個(gè)中斷資源，似乎是大材小用了，為什么不增加ＤＳＰ對外界的響應且一直打開(kāi)中斷呢？實(shí)際上這是有一定道理的。之所以將ＨＰＩ的訪(fǎng)問(wèn)方式設置為ＤＭＡ方式，而只使用一個(gè)外部中斷。完全是為了讓?zhuān)模樱袑⒅饕獣r(shí)間花在信號處理上，且盡可能地減少ＤＳＰ被頻繁的數據輸入輸出打斷。其原因有四點(diǎn)：第一，為加快信號處理算法的速度，盡可能地對循環(huán)進(jìn)行流水線(xiàn)規劃，ＣＰＵ運行至下次時(shí)，由于跳轉指令的頻繁出現，根本無(wú)法相應中斷；當循環(huán)次數較大時(shí)，無(wú)法保證中斷的及時(shí)響應。第二，如果將循環(huán)改為可中斷式的，勢必造成寄存器資源使用過(guò)大，代碼的效率也將大幅度下降。第三，匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序大多都在不同程度對ＣＰＵ的流水線(xiàn)時(shí)序有要求，即寄存器對流水線(xiàn)時(shí)序敏感。若任意時(shí)間均要響應中斷的話(huà)，必將造成軟件產(chǎn)生不可預測的錯誤，出現混亂。第四，由于匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序代碼效率一般比優(yōu)化后的Ｃ語(yǔ)言高５０％，所以為提高運算速度，核心算法都用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，一些寄存器的值都與Ｃ語(yǔ)言模塊中的不同[２]，如Ｂ１４（ＤＰ）、Ａ１５（ＦＰ）；而高層調用和中斷服務(wù)程序一般都用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)，如果在任意時(shí)刻響應中斷，很容易造成Ｃ語(yǔ)言中斷服務(wù)程序的變量無(wú)法正確訪(fǎng)問(wèn)，出現致命錯誤。綜上所述，中斷同步式結構穩健性更強。

在多通道處理中還應注意一個(gè)問(wèn)題，即全局指針的重定向３。因為高層調用用Ｃ編寫(xiě)，以及通道數不確定等因素，一般情況下，很難保證同一通道的上下文相關(guān)數據每次均被放在同樣的內存位置上，因而上一幀時(shí)保存的全局指針變量的數值對當前幀不一定適用，所以對全局指針的重定向是必要的。

以上分析了Ｃ６２０１芯片組的工作方式，而主機與它們的通信是通過(guò)ＨＰＩ對Ｃ６２０１存儲器訪(fǎng)問(wèn)來(lái)完成的。在Ｃ６２０１片內ＲＡＭ開(kāi)出一段數據空間作為系統信息區，當Ｃ６２０１完成了一次多通道處理后，便在系統信息區中設置幀處理結束標志，并將處理后數據的存放地址和主機下載數據的存放地址寫(xiě)入系統信息區的相應位置。主機通過(guò)對各個(gè)Ｃ６２０１系統信息區的訪(fǎng)問(wèn)了解其工作狀況，當發(fā)現某一塊ＤＳＰ一幀處理完成后，立即清除幀處理結束標志，并從系統信息區中給出的處理后數據的存放地址讀取數據到硬盤(pán)（或其他設備）進(jìn)行存儲（或處理），而且將待處理的數據搬移至主機下載數據的存放地址，以便Ｃ６２０１下一幀處理使用。當然，主機除了數據搬移和控制功能外，還可根據實(shí)際的運算能力和工作負荷，再增添一些功能。

４ 展望

Ｒａｄｙｓｉｓ、Ｂｌｕｅｗａｖｅ等公司基于Ｃ６０００系列的多通道處理設備采用了與上述平臺相似的結構。以ＶＯＩＰ的網(wǎng)關(guān)為例，本地電話(huà)的語(yǔ)音信號先傳送到交換局，局內的復用設備（對應平臺的輸入／輸出接口）根據Ｃ６２０１的處理能力分配相應的話(huà)路。Ｃ６２０１對原始語(yǔ)音信號進(jìn)行壓縮，壓縮后的數據通過(guò)主機讀取到網(wǎng)絡(luò )處理區，交給網(wǎng)絡(luò )處理設備進(jìn)行打包處理，最后以ＩＰ方式傳送到目的端。另一方面，網(wǎng)絡(luò )處理設備拆包后的壓縮碼流通過(guò)主機傳送到Ｃ６２０１控制的局部存儲區中，經(jīng)解壓后由ＤＭＡ發(fā)送至復用設備，最終由交換局送至本地電話(huà)。

除了ＶＯＩＰ的智能網(wǎng)關(guān)和Ｍｏｄｅｍ Ｐｏｏｌ外，多通道處理的概念還可以延伸至雷達處理、多路數據采集、多路圖象監控４等更為廣泛的領(lǐng)域中。在多媒體和因特網(wǎng)技術(shù)日新月異的今天，基于相同類(lèi)型信號的多通道處理可進(jìn)一步拓展為基于不同類(lèi)型信號的多通道處理，因而研究多通道信號處理平臺有著(zhù)很大的實(shí)際意義，它將成為新一代智能化多媒體終端的雛形。