基于DSP和PCI總線(xiàn)的通用數字信號處理系統

　　在信號處理系統中一般采用數據采集卡實(shí)現數據采集，采用微機軟件處理的方法實(shí)現數據處理，采用PC機實(shí)現數據管理。由于PC機的CPU采用的是馮?諾依曼存儲器結構，并不適用于數字信號的運算，若完全使用PC機處理數字信號不僅造成處理速度慢，影響PC機對數據的管理，還會(huì )影響信號處理系統的實(shí)時(shí)性。因此，提出一種方案把數字信號處理部分從PC機軟件中分離出來(lái)交給DSP處理，DSP處理完畢后再把數據交還PC機進(jìn)行管理。這樣充分利用DSP對數字信號高速處理的優(yōu)勢，提高信號處理系統的實(shí)時(shí)性和穩定性。本文以TMS320VC5402 DSP為例，給予說(shuō)明。

1 系統的硬件設計

1.1 PCI接口芯片PCI9052

　　PCI9052是一款面向低端應用的高性能、工作在目標(從)模式的PCI接口芯片，支持PCI 2.1總線(xiàn)規范。該芯片的局部總線(xiàn)可以通過(guò)編程設置為8／16／32位的(非)復用總線(xiàn)，且局部總線(xiàn)時(shí)鐘與PCI總線(xiàn)時(shí)鐘相互獨立運行，便于高、低速設備的兼容，并可支持相對慢的局部總線(xiàn)在PCI總線(xiàn)上的突發(fā)傳輸速率達到132 Mb／s。同時(shí)，PCI9052提供5個(gè)本地地址空間和4個(gè)本地地址片選，基址和地址范圍可由串行E2PROM編程設置。選擇PCI9052作為PCI-DSP橋可以降低PCI總線(xiàn)開(kāi)發(fā)的難度，增加系統的可靠性和穩定性。

1.2 DSP的HPI通信協(xié)議

　　TMS320VC5402 DSP具有8位的增強型HPI接口，其專(zhuān)門(mén)用于DSP與其他總線(xiàn)或CPU進(jìn)行通信。主機是通過(guò)HPI控制寄存器(HPIC)，地址寄存器(HPIA)，數據寄存器(HPID)訪(fǎng)問(wèn)DSP的片內RAM，從而實(shí)現與DSP通信的。DSP只能訪(fǎng)問(wèn)HPIC。HPI寄存器的選擇由HCNTL[1：0]腳在PCI總線(xiàn)地址有效期實(shí)現，說(shuō)明如表1所示：

　　在主機訪(fǎng)問(wèn)DSP片內RAM過(guò)程中，主機首先根據訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)型對HPIC寄存器進(jìn)行初始化操作，然后再對HPIA寄存器進(jìn)行操作，將要訪(fǎng)問(wèn)存儲單元的地址寫(xiě)入HPIA，最后對HPID寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，此刻HPID寄存器的內容為HPIA指定存儲器的內容，這樣便實(shí)現主機和DSP的一次通信過(guò)程。

1.3 DSP與PCI的接口設計

　　DSP與PCI的接口是實(shí)現DSP與主機進(jìn)行通信的關(guān)鍵。由于TMS320VC5402 DSP的HPI口是8位并口，所以PCI9052局部總線(xiàn)設定為8位非復用總線(xiàn)模式，并將其LAD[7..0]與DSP的HD[7..0]連接，實(shí)現數據總線(xiàn)的連接。接口電路如圖1所示。在8位總線(xiàn)模式下，LBE[1：0]分別對應于地址的LA[1：0]，將LBE0與HBIL相連，用于區分當前傳輸的是第1字節還是第2字節。LA[3：2]分別與HCNTL[1：0]相連，用于選擇HPI寄存器。利用PCI9052芯片的讀寫(xiě)控制信號LBE0#，LBE1#，LW／R，LRDY#和部分地址信號LA[3：2]經(jīng)過(guò)CPLD進(jìn)行時(shí)序和邏輯轉換便可生成HPI口的控制信號HBIL，HC-NTL0，HCNTL1，HDS1#，HR／W#。HPIENA腳接“1”表示選用HPI模塊。這樣PCI9052就可在地址有效期決定訪(fǎng)問(wèn)哪個(gè)HPI寄存器，實(shí)現DSP與PCI的通信。

1.4 系統的電路設計

　　如圖2所示系統電路主要由3部分組成：第一部分是PCI9052與PCI插槽間的信號連接電路，包括地址數據復用信號AD[31：：0]；總線(xiàn)命令信號C／BE[3：：0]#；接口控制信號FRAME#，TRDY#，IRDY#，STOP#；IDSEI#，DEVSEL#，錯誤報告信號PERR#，SERR#；系統信號CLK，RST#。這些信號是局部總線(xiàn)設備保證與PCI總線(xiàn)正確通信的必要信號。第二部分是和串行E-2PROM的信號連接電路，E2PROM內存儲的是用于PCI加載的配置信息，這些信息在PCI9052硬件復位時(shí)的正確加載是保證PCI局部總線(xiàn)設備正常工作的前提。第三部分是PCI9052與DSP HPI接口的信號連接電路，包括數據線(xiàn)、地址線(xiàn)、讀寫(xiě)控制信號線(xiàn)、中斷信號線(xiàn)等。此外該系統還可根據DSP的其他功能擴展相應的外設電路。

2 系統的軟件設計

2.1 PC機與DSP通信驅動(dòng)程序設計

　　PC機上應用軟件不能直接對底層硬件進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，為實(shí)現PC機與DSP的通信還應編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序。WDM(Windows Driver Model)是NT3.51和NT4.0內核模式設備驅動(dòng)程序模型的擴展形式，是一種PnP驅動(dòng)程序，能在Windows 98，Windows 2000和Windows XP間實(shí)現源代碼級兼容。為了便于在多操作系統中均能應用本系統，需編寫(xiě)WDM驅動(dòng)程序。

　　在PCI設備驅動(dòng)程序中主要是完成PCI設備的內存、端口的讀寫(xiě)功能和中斷處理功能。若采用DDK開(kāi)發(fā)，需要軟件人員對計算機底層知識熟悉、開(kāi)發(fā)難度大、為簡(jiǎn)化驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，可以使用NuMega推出的DriverStudio設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具包。通過(guò)DriverStudio開(kāi)發(fā)者很容易生成驅動(dòng)程序框架，同時(shí)，DriverStudio與VC++有很好的接口。生成的驅動(dòng)框架可以在Microsoft VC++6.0環(huán)境下添加驅動(dòng)代完成驅動(dòng)編寫(xiě)。驅動(dòng)程序設計內容如下：

(1)設備初始化

　　PCI設備的硬件資源由PCI配置機構動(dòng)態(tài)分配，由PCI設備實(shí)現PCI配置寄存器，提出需要配置的硬件資源，驅動(dòng)程序只有獲取這些資源才能對硬件進(jìn)行操作。設備初始化環(huán)節使PCI設備驅動(dòng)程序實(shí)現識別PCI器件，尋址PCI器件的資源。如果m_MemoryRange0，m_IoPortRange1分別為KMemoryRange類(lèi)、KIoRange類(lèi)的實(shí)例，則初始化操作可通過(guò)調用其成員函數實(shí)現：

(2)端口操作

　　對于X86處理器I／O空間是一個(gè)64 B的尋址空間。當初始化完畢后，可直接調用KIoRange類(lèi)成員函數對端口進(jìn)行操作。如從端口讀／寫(xiě)一個(gè)雙字數據可調用成員函數ind()，Outd()實(shí)現。

(3)內存操作

　　對于X86處理器內存地址空間可達到4 GB。對內存操作同樣可以通過(guò)調用KMemoryRange類(lèi)成員函數實(shí)現。如從內存讀、寫(xiě)一個(gè)字數據可調用成員函數inw()，outw()實(shí)現。

(4)中斷操作

　　在本系統中的PCI中斷是由PCI設備發(fā)出的要求上位機接收數據的中斷請求，中斷服務(wù)程序要完成的功能是上位機從DSP的片內RAM中讀取數據。對硬件的中斷處理可通過(guò)調用KInterrupt類(lèi)的相關(guān)成員函數實(shí)現。

　　此函數完成了初始化中斷類(lèi)實(shí)例操作并實(shí)現了與中斷服務(wù)例程的連接。驅動(dòng)程序安裝好以后，在應用程序中調用Create-File()函數打開(kāi)設備，通過(guò)調用API函數De-viceloControl就可實(shí)現應用程序與DSP之間的通信。

2.2 下位機軟件

　　下位機軟件為運行在DSP內的客戶(hù)端程序。該軟件主要功能是接收上位機發(fā)送的數據并按照用戶(hù)的要求進(jìn)行處理，并把計算結果返回給上位機或根據計算結果驅動(dòng)其他外設工作。該軟件的核心部分為對數據進(jìn)行處理的算法，應按照數據處理的具體要求選用相應的算法實(shí)現。軟件的設計思想是：在系統復位后，首先對DSP進(jìn)行初始化設置，如設置工作頻率為100 MHz，設置狀態(tài)寄存器ST0，ST1，設置軟件等待狀態(tài)寄存器等，以使DSP工作在最優(yōu)狀態(tài)。上位機在向下位機發(fā)送完畢數據后對DSP發(fā)出中斷請求，DSP立刻響應中斷，轉去執行中斷服務(wù)程序，進(jìn)行數據處理。當數據處理完畢后，DSP再將數據的處理結果送還給上位機，結束本次中斷服務(wù)，程序返回到斷點(diǎn)處，直至下一次中斷的到來(lái)。軟件流程圖如圖3所示。

3 DSP系統的自舉加載(BootLoader)

　　DSP系統的自舉加載目的是使系統上電后程序代碼能從外部存儲介質(zhì)引導裝載到DSP內部或外部程序存儲器中脫機運行。自舉加載的實(shí)現方式常用的有外部并行自舉加載和HPI自舉加載兩種。

　　由于主機可以通過(guò)HPI口訪(fǎng)問(wèn)DSP的片內RAM資源，所以下位機程序可以在系統上電復位的時(shí)候通過(guò)上位機加載到DSP中。采用自舉加載模式，在硬件上需要將DSP的INT2腳與HPI的中斷輸出HINT腳相連，以保證在系統復位后選擇HPI加載模式，通信原理和前面講述的方法一致。在加載過(guò)程中，上位機首先將程序搬移到DSP的片內RAM，然后再將程序的人口地址寫(xiě)到DSP的數據空間007FH內，DSP一旦監測到007FH處的數據不再為0即判斷為代碼轉移完畢，并跳轉到007FH里存放的地址去執行，從而完成啟動(dòng)。采用HPI加載方式不僅免去了外接E2PROM或FLASH等掉電非易失性存儲器件，而且可以根據數據處理要求不同載入不同的下位機程序，從而簡(jiǎn)化了硬件結構，增加使用的靈活性，是本系統理想的自舉加載模式。

4 結語(yǔ)

　　本文所設計的方案已經(jīng)成功應用于筆者開(kāi)發(fā)的激光掃描系統中。實(shí)踐證明，該方案所用硬件簡(jiǎn)潔，系統工作穩定，數據傳輸可靠。本系統由于具有高速實(shí)時(shí)數據運算能力，可廣泛應用于語(yǔ)音處理、數字加密、圖像處理、多路數據采集處理等領(lǐng)域，可升級能力強，具有很廣闊的應用前景。