基于FPGA通過link口加載TigerSHARC信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

TigerSHARC系列處理器是ADI公司推出的高性能數(shù)字信號(hào)處理器，包含ADSP TS101、ADSP TS201、ADSP TS202、ADSP TS203。TigerSHARC系列處理器的link 口為處理器提供了快速、獨(dú)立的通信機(jī)制。link口的特點(diǎn)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、協(xié)議比較簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)率較高，因而可以通過link口實(shí)現(xiàn)多片處理器構(gòu)成處理器系統(tǒng)。

TS101的link口和TS20X系列處理器的link口有所不同。TS101的link口采用8位雙向數(shù)據(jù)線和三根控制線構(gòu)成，采用TS101 link協(xié)議可實(shí)現(xiàn)雙工通信；而TS20X系列處理器的link口采用LVDS技術(shù)（4 bit收、4 bit發(fā)），實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

盡管TS101的link口和TS20X的link口在物理和協(xié)議方面都不一樣，但在應(yīng)用上都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信以及處理器的加載功能。

1 信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的采用TigerSHARC處理器的信號(hào)處理板連接方式為：板（簇）內(nèi)采用CLUSTER總線實(shí)現(xiàn)處理器連接，板間采用link口實(shí)現(xiàn)處理器連接。

采用FPGA實(shí)現(xiàn)與TigerSHARC處理器link口的連接可提高信號(hào)處理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)連接的靈活性。FPGA通過link口與信號(hào)處理系統(tǒng)連接，簡(jiǎn)化了信號(hào)處理板卡的設(shè)計(jì)；同時(shí)由于FPGA靈活性及豐富的接口資源，可以很方便實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的連接。

采用FPGA加載信號(hào)處理系統(tǒng)，只需修改與FPGA連接的Flash中的程序就可以實(shí)現(xiàn)配置信號(hào)處理器系統(tǒng)中各處理器的程序。在加載完后，F(xiàn)PGA還可以作為信號(hào)處理系統(tǒng)的接口板，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、高效。

本文介紹一種基于FPGA通過link口加載由TS101構(gòu)成的信號(hào)處理系統(tǒng)的方法。

FPGA加載板和TigerSHARC信號(hào)處理系統(tǒng)連接關(guān)系如圖1所示。

加載板采用EP2S60芯片作為處理器，外接128 MB Flash和36 MB SRAM。Flash用于存儲(chǔ)處理器的加載程序，SRAM作為緩存。FPGA的4個(gè)link分別與TigerSHARC信號(hào)處理板上4個(gè)DSP的link0相連，信號(hào)處理板上4個(gè)DSP的link2分別與下一個(gè)信號(hào)處理器的4個(gè)DSP的link0相連。采用這種方法連接多塊信號(hào)處理板構(gòu)成一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)。

TigerSHARC處理器每個(gè)link口都可以作為加載的端口，只需在Kernel程序中將LINK號(hào)改成對(duì)應(yīng)的link口。

2 加載文件結(jié)構(gòu)

TigerSHARC處理器link口加載文件結(jié)構(gòu)如圖2所示。加載文件由加載核、若干Zero init或Non-zero init加載數(shù)據(jù)塊及Final init數(shù)據(jù)塊構(gòu)成。加載核沒有數(shù)據(jù)塊頭信息，Zero init 和Non-zero init數(shù)據(jù)塊頭都有1個(gè)標(biāo)簽字和1個(gè)目的地址，F(xiàn)inal init數(shù)據(jù)塊只有1個(gè)標(biāo)簽字。標(biāo)簽字各數(shù)據(jù)位的意義如圖3所示。由于link口的連接特點(diǎn)，link加載核不支持多處理器加載，因而link加載方式中不使用ID。標(biāo)簽字的TYPE和COUNT指示了該塊數(shù)據(jù)的類型和長(zhǎng)度。TigerSHARC加載文件以32 bit word為單位構(gòu)成（本文的word即指32 bit word）。

3 加載狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于Flash的讀寫周期較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)中采用系統(tǒng)時(shí)鐘16分頻作為FPGA中Flash控制器的時(shí)鐘。直接從Flash中讀取數(shù)據(jù)無法保證DSP加載核（BOOT Loader Kernel）對(duì)程序數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)率要求，因而在設(shè)計(jì)中先將Flash中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到與FPGA相連的SRAM中。SRAM讀出數(shù)據(jù)為32 bit，讀寫SRAM的數(shù)據(jù)率可以大大超過link口的吞吐率。FPGA中開辟2塊RAM作為乒、乓RAM緩存從SRAM中讀取數(shù)據(jù)，以保證FPGA發(fā)送link的數(shù)據(jù)保持在就緒狀態(tài)，DSP加載核在任何時(shí)候取數(shù)，F(xiàn)PGA link都能提供有效數(shù)據(jù)。

FPGA發(fā)送到link模塊的信號(hào)為TxWrite、TxData、TxBP。加載狀態(tài)機(jī)根據(jù)TxBP信號(hào)來判斷l(xiāng)ink口緩沖當(dāng)前狀態(tài)是忙還是空閑，只要為空閑狀態(tài)就往link緩沖中寫數(shù)據(jù)，從而保證了DSP加載核總能獲取有效數(shù)據(jù)。

3.1 加載狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

FPGA中加載有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖如圖4所示。

狀態(tài)說明：

S0：BootLoader Kernel State;S1：數(shù)據(jù)塊類型判斷；S2：Non-zer init State;S3:Zero init State;S4:Final init State;S5：結(jié)束。

當(dāng)需要加載時(shí)復(fù)位加載狀態(tài)機(jī)，在復(fù)位時(shí)設(shè)置計(jì)數(shù)器值。復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)就進(jìn)入了S0狀態(tài)。

S0狀態(tài)為發(fā)送DSP Boot Loader Kernel給需要加載的DSP，長(zhǎng)度為256 words。在該狀態(tài)下，link口需要發(fā)送DSP Boot Loader Kernel給需要加載的DSP，數(shù)據(jù)發(fā)送完后（數(shù)據(jù)塊計(jì)數(shù)器count_packet為0），狀態(tài)轉(zhuǎn)入S1。

S1狀態(tài)為上一數(shù)據(jù)塊結(jié)束，下一數(shù)據(jù)塊將要開始發(fā)送的一個(gè)中間過渡狀態(tài)。在該狀態(tài)下判斷下一數(shù)據(jù)塊的類型，并計(jì)算下一數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。根據(jù)標(biāo)簽字Tag Word的TYPE值轉(zhuǎn)換到S2、S3、S4中的某個(gè)狀態(tài)。

當(dāng)S1狀態(tài)下TYPE為1時(shí)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入S2。DSP收到這塊數(shù)據(jù)后，進(jìn)入Non-zero init模式。S2狀態(tài)只需發(fā)送該數(shù)據(jù)塊，不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Non-zero init處理。該模式下，link口需要發(fā)送的數(shù)據(jù)為該數(shù)據(jù)塊標(biāo)簽字的COUNT值加上數(shù)據(jù)塊頭的長(zhǎng)度即2 words。該數(shù)據(jù)塊發(fā)送完后（數(shù)據(jù)塊計(jì)數(shù)器count_packet為0），狀態(tài)轉(zhuǎn)入S1。

當(dāng)S1狀態(tài)下TYPE為2時(shí)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入S3。DSP收到這塊數(shù)據(jù)后，進(jìn)入Zero init State模式。該模式下加載程序數(shù)據(jù)塊只有數(shù)據(jù)塊頭，即標(biāo)簽字和目的地址2 words，后面即為下一個(gè)數(shù)據(jù)塊頭。此時(shí)，狀態(tài)機(jī)只需發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)塊頭，不需要進(jìn)行Zero init處理。該數(shù)據(jù)塊發(fā)送完后（數(shù)據(jù)塊計(jì)數(shù)器count_packet為0），狀態(tài)轉(zhuǎn)入S1。

當(dāng)S1狀態(tài)下TYPE為0時(shí)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入S4。相應(yīng)地，DSP進(jìn)入到Final init模式，完成加載核的自我覆蓋。此時(shí)狀態(tài)機(jī)要發(fā)送的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為257 words，即1 word Final init標(biāo)簽字和256 words加載核自我覆蓋程序。當(dāng)發(fā)送完Final init加載數(shù)據(jù)，有效的加載程序已經(jīng)發(fā)送完。需要注意的是，加載核在取link口數(shù)據(jù)是啟動(dòng)DMA傳輸?shù)?，而link口至內(nèi)/外部存儲(chǔ)器的DMA是以4字組方式傳輸，因而當(dāng)程序不是4字對(duì)齊時(shí)，發(fā)送的加載程序長(zhǎng)度須以4字補(bǔ)齊。加載狀態(tài)機(jī)會(huì)根據(jù)加載文件自動(dòng)完成4字補(bǔ)齊，發(fā)送的長(zhǎng)度為將程序4字補(bǔ)齊后的長(zhǎng)度，以滿足link口DMA的時(shí)序要求。

當(dāng)S4狀態(tài)下數(shù)據(jù)塊計(jì)數(shù)器count_packet為0時(shí)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入S5，加載1個(gè)DSP結(jié)束。

當(dāng)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入S5時(shí)，F(xiàn)PGA 的加載狀態(tài)機(jī)已實(shí)現(xiàn)了通過link口對(duì)DSP的加載過程。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理系統(tǒng)中所有板卡的加載，第一塊信號(hào)處理板要完成對(duì)第二塊信號(hào)處理板卡的加載。link板卡的級(jí)聯(lián)關(guān)系見圖1，F(xiàn)PGA加載完第一塊板的DSP后，等待DSP運(yùn)行起來，而后通過link口發(fā)送第二塊板的加載程序給第一塊板。第一塊板收到第二塊板的加載程序后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)第二塊板的加載。采用同樣的方法就可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)的每塊板卡的每個(gè)DSP的加載功能。

3.2 Signal Tap采集加載過程

采用Signal Tap采集加載開始、中間狀態(tài)轉(zhuǎn)換和加載結(jié)束的結(jié)果分別如圖5“7所示。圖中各信號(hào)的意義如下：

boot_dsp0_en、boot_dsp1_en：分別是加載第一塊信號(hào)處理板DSP0、DSP1的使能信號(hào)。

txdata、txwrite_ba_int、txbp：分別是link模塊控制端輸入數(shù)據(jù)、寫控制信號(hào)、緩沖滿信號(hào)count_packet的數(shù)據(jù)塊計(jì)數(shù)器。

TAG_COUNT、TAG_TYPE：分別是標(biāo)簽字的COUNT和TYPE值。

STATE_FSM：狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。

rst_state：狀態(tài)機(jī)復(fù)位控制信號(hào)。

l0_lxdata、l0_lxclkout、l0_lxclkin：分別是FPGA的link0端口接口數(shù)據(jù)、時(shí)鐘/應(yīng)答輸出、時(shí)鐘/應(yīng)答輸入。

圖中采樣時(shí)鐘為link模塊輸入時(shí)鐘，1個(gè)周期link口發(fā)送1 B數(shù)據(jù)。由于狀態(tài)機(jī)采用的是邊發(fā)送link數(shù)據(jù)邊解譯加載數(shù)據(jù)的方法，因而狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程要滯后發(fā)送數(shù)據(jù)4個(gè)周期（1 word），通過在發(fā)送DSP Boot Loader Kernel這個(gè)狀態(tài)計(jì)數(shù)值多4個(gè)字而在Final Init過程計(jì)數(shù)值少4個(gè)字來實(shí)現(xiàn)對(duì)齊。

圖5為加載開始，STATE_FSM狀態(tài)為0，此時(shí)FPGA發(fā)送DSP Boot Loader Kernel給TigerSHARC DSP。加載開始時(shí)計(jì)數(shù)值為0x403 bytes，共發(fā)送0x404 bytes數(shù)據(jù)。如前所述，在發(fā)送DSP Boot Loader Kernel時(shí)比其實(shí)際長(zhǎng)度0x400 bytes多4 bytes。

圖6為加載中間加載過程，STATE_FSM狀態(tài)依次為3、1、3、1、2。當(dāng)STATE_FSM為第一個(gè)1時(shí)，TAG_TYPE為2、TAG_COUNT為3，標(biāo)志下一個(gè)狀態(tài)為Zero init State。此狀態(tài)下FPGA需要發(fā)送2 words， 因而count_packet為0x6（count_packet為0占了2個(gè)周期）。當(dāng)STATE_FSM為第二個(gè)1時(shí)，TAG_TYPE為1、TAG_COUNT為4，標(biāo)志下一個(gè)狀態(tài)為Non-zero init State，此狀態(tài)下FPGA需要發(fā)送4 words數(shù)據(jù)和2 words數(shù)據(jù)塊頭，因而從此時(shí)count_packet為0x16（count_packet為0占了2個(gè)周期）。

如圖7所示，當(dāng)STATE_FSM為4且計(jì)數(shù)值為0時(shí)，STATE_FSM轉(zhuǎn)為5、boot_dsp0_en從1變?yōu)?，此時(shí)加載DSP0結(jié)束。DSP0加載結(jié)束后FPGA產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)復(fù)位信號(hào)rst_state使?fàn)顟B(tài)機(jī)復(fù)位，而后boot_dsp1_en從0變?yōu)?，開始加載DSP1。采用同樣的方法就可以實(shí)現(xiàn)加載DSP2、DSP3。

本文介紹了一種采用FPGA加載TigerSHARC DSP的方法。在FPGA中設(shè)計(jì)的FSM可根據(jù)加載文件的結(jié)構(gòu)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)加載功能，通過TigerSHARC DSP link互聯(lián)關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)的加載。此外，還介紹了加載狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并采用Signal Tap采集加載狀態(tài)機(jī)幾個(gè)典型的加載過程，驗(yàn)證了加載狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。