基于PCI总线通用DSP信号处理系统的设计

1 引言

1.1 DSP简介及基本特点

数字信号的处理离不开算法和实现手段。数字信号处理器（digital signal processor简称DSP）。是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，是实现实时数字信号处理的有力工具。DSP目前广泛应用于模式识别，数字通信，信号处理，工业控制等领域。TI公司的TMS320C54X系列DSP有着以下的特点：采用先进的修正增强型哈佛结构，片内共有8条总线（1条程序存储器总线，3条数据存储器总线和4条地址总线）；高度并行和带有专用硬件逻辑的CPU设计；高度专业化的指令系统；模块化结构设计；能降低功耗和提高抗辐射能力的新的静电设计方法。因此它能高速实时以及灵活地应用于图像处理、语言处理、频谱分析、数字滤波、实时控制 等各个领域。TMS320VC5402是54X系列中应用比较广泛的一种芯片，它有着丰富的接口资源，是一种集数据处理和通信功能于一体的高速微处理器。其操作速率为40～100MIPS。

1.2 PCI局部总线的性能和特点

PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权以加速数据传送。

2信号处理系统的功能构成

通用信号处理系统一般分为数据采集、数据处理和数据管理3个部分（图1）。采集部分可以采用通用的数据采集卡，数据管理部分则必须用 PC机才能完成。在信号处理系统中，最费时间，也即影响信号处理系统的实时性的瓶颈是数据的处理部分。数据的处理通常采用微机软件的方法， 但完全由PC机处理有个缺点，就是信号处理需要的运算主要是数字运算，因相对于通用CPU（GPP）来说，它是采用冯·诺依曼存储器结构，并不适用于数字信号的运算，不仅会造成处理速度慢，而且占用CPU时间过多，直接影响了PC机对数据的管理。因此，我们提出用另一种方法把信号处理部分从微机软件中分离出来，交给DSP处理，然后把DSP处理好的数据再传给PC机管理。该系统的功能构成如图1所示。这样不仅可以做到信号处理和数据管理并行进行，而且充分利用DSP对数字信号处理高速，并行的优势，提高了信号处理系统的实时性和稳定性。在对信号作连续的流水处理时，其性能优势更能得以体现，同时这也是一个廉价的产品，有着很高的性能价格比。


3 信号处理部分的硬件构成

信号处理部分接口电路的结构如图2所示。信号处理程序保存在主机中，在上电以后，自举加载到DSP中，并由固化在DSP的ROM中的 BOOTLOADER来完成。


主要的处理流程是：信号采集卡把模拟的信息转化为数字的信息，进入PC机；由PC机通过PCI接口把数字的信息传输到DSP，保存在SRAM中； DSP从SRAM中读取数据，对信号进行处理；然后，把处理后的数据再从PCI接口传回PC机，交给数据管理部分处理。

3.1 PCI接口

为了管理数据和寻址、接口控制、仲裁以及系统运行，PCI接口对单个目标设备需要至少47个引脚，对主控设备最少需要49个引脚。图3给出了按功能组划分的引脚，左边的为必需引脚，右边的为可选引脚。图中的信号的方向是对主控设备/ 目标设备的组合而言。总引脚数120条（包含电源、地、保留引脚等）。PCI的总线宽度有32位和64位。在本系统中，设备是32位，没有作64位扩展。


由于PCI总线时钟高达33MHz，信号线应按微波传输线对待，再加上接口逻辑本身的复杂性，设计难度很大。实现接口的办法：（1）用可编程逻辑器件EPLD或FPGA和用EPLD或FPGA实现。PCI接口的优点在于其灵活的可编程性。首先PCI接口可以依据插卡功能进行最优化，而不必实现所有的PCI功能，这样可以节约系统的逻辑资源；其次可以将PCI插卡上的其他用户逻辑与PCI接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑的系统设计；再者当系统升级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计而无需更新PCB版图。（2）用专用PCI接口芯片实现。专用PCI接口芯片可以实现完整的PCI主控模块和目标模块接口功能，将复杂的PCI总线接口转换为相对简单的用户接口。厂商对PCI总线接口进行了严格的测试，用户只要设计转换后的总线接口即可。从某种意义上讲，PCI接口完成的是PCI总线和插卡上的从属处理器之间的消息传递。

由于以上原因，再考虑到系统开发的成本和周期，用专用接口芯片来实现PCI总线的接口较理想。接口芯片选用的是TI公司的PCI2040。PCI2040 是专门用来和54X或6X桥接的芯片，可以实现与TMS320VC5402的无缝接口 ；可以对端口进行访问读写。PCI2040提供了一个由PCI总线至插卡总线的直通通路（pass-thru）。PCI2040通过这些数据通路将复杂的PCI接口转换为相对简单的插卡总线接口。在本系统中，DSP中的资源映射到PC机的内存D9008000～D9008FFF和D9000000～ D9007FFF，中断请求为11。

PCI2040通过HPI接口与DSP通信，通信流程如下：PCI总线向PCI2040读写数据，PCI2040会根据这些命令在HPI口上发起相应的要求，这个通信过程可以通过编程首先初始化HPI控制寄存器HPIC以及主机地址寄存器HPIA，然后再从主机数据寄存器HPID中读/写数据来完成。具体的接口电路如图4所示：一块PCI2040最多可以挂接4片 DSP，以用于多DSP系统。