怎樣設(shè)計實現(xiàn)一個基于DSP和PCI總線的通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)？

隨著數(shù)字信號處理器性能的不斷提高及其成本與售價的大幅下降，數(shù)字信號處理應(yīng)用領(lǐng)域飛速擴展，信號處理進入了一個新的發(fā)展時期。同時隨著計算機技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過計算機來進行處理、存儲、傳輸籌操作。計算機的應(yīng)用已經(jīng)遍及我們生活的每一個角落。由于計算機本身的特點，通用計算機通常僅負責沒有實時性要求的工作，而不適于進行實時性要求很高的數(shù)字信號處理。將計算機和 DSP有機地結(jié)合起來，充分利用各自的優(yōu)點，它們將會相得益彰，滿足現(xiàn)實應(yīng)用中對數(shù)據(jù)實時處理能力、數(shù)據(jù)傳輸能力以及數(shù)據(jù)管理能力提出的越來越高的要求。

PCI總線是先進的高性能32/64位局部總線?？赏瑫r支持多組外圍設(shè)備，不受制于處理器，數(shù)據(jù)吞吐量大（32位時峰值高達132Mb/s），并能完全兼容現(xiàn)有的ISA/EISA/MAC等擴展總線。連接到PCI總線上的設(shè)備主要分為：主控設(shè)備和目標（從）設(shè)備兩類，接口設(shè)計成為PCI總線與設(shè)備進行溝通的橋梁。但是PCI總線的規(guī)范十分復雜，其接口的實現(xiàn)比ISA等總線要困難得多。目前實現(xiàn)PCI接口的有效方案有兩種：使用可編程邏輯器件和使用專門接口芯片。本文中的采集系統(tǒng)就是運用TI公司的TMS320C5410高速定點DSP和PLX公司的PCI9052 PCI總線接口芯片來搭建的。

1 系統(tǒng)功能概述

根據(jù)實際應(yīng)用析需要，系統(tǒng)的主要功能有：

（1）可以同時采集處理一條E1鏈路上所有32個時際的數(shù)據(jù)；

（2）對數(shù)據(jù)進行鏈路層協(xié)議解包后，重新打包茂特定的格式，交給上層系統(tǒng)（PC機）保存或進一步處理。對鏈路數(shù)據(jù)狀態(tài)和采集的統(tǒng)計信息進行監(jiān)測，定時生成報表，交給上層系統(tǒng)實時顯示；

（3）系統(tǒng)應(yīng)具有盡量大的軟件升級功能和靈活性，便于系統(tǒng)提高性能或者應(yīng)用于其他通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集。

本系統(tǒng)的設(shè)計難點主要是如何實現(xiàn)DSP與PCI9052之間高效率的數(shù)據(jù)通信。在系統(tǒng)中PCI9052通過DSP上專門的高速主機通用接口（host port interface，以下簡稱HPI口）和DSP進行通信。但是HPI口總線是一個非常特殊的總線，它采用訪問寄存器的方式來進行DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀寫，HPI口單純映射到PCI的I/O空間或者存儲器空間，有不可避免的缺點。本文提出了一種雙映射方法，成功地解決了這一問題，實現(xiàn)了DSP與PCI9052之間方便、高速的數(shù)據(jù)通信。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

整個硬件系統(tǒng)主要由DSP、PCI總線接口芯片和鏈路數(shù)據(jù)采集芯片組成。

本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320C5410（以下簡稱C5410）DSP，該芯片的特點有：

·處理能力可達到100MIPS;

·采用多總線技術(shù)，一條指令可以同時訪問數(shù)據(jù)和程序空間，具有高度并行性；

·具有改進型的8位HPI接口，主機通過HPI口可以訪問DSP系統(tǒng)的任何一個存儲器單元，而且外部訪問和DSP內(nèi)部操作相互獨立，互不干擾；

·軟件可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器，可以靈活地用不同速度的器件組建系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集芯片采用了PMC公司的PMC4351.它可以同時采集三個時隙上的數(shù)據(jù)，可以通過編程選擇采集或輸出T1、E1數(shù)據(jù)，支持HDLC協(xié)議，可以進行去除CRC標志、復幀標志等預(yù)處理，為每小時隙提供128字節(jié)的發(fā)送FIFO和接收FIFO，有很完善的處理器接口。為了能夠同時采集一整條E1鏈路上的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用了11片PMC4351組成鏈路數(shù)據(jù)接口單元。各個芯片之間的接口利用CPLD來完成，它的可編程性為各個組成部分之間的控制和通信提供了相當大的靈活性，也省去了大量外部電路、保證了硬件的方便調(diào)試和穩(wěn)定工作。

具體的硬件框圖如圖1所示。

3 DSP的HPI接口與PCI9052的連接

C5410上的增強型8位HPI口為上層系統(tǒng)提供了一個靈活訪問DSP內(nèi)部存儲器的并行數(shù)據(jù)口。上層系統(tǒng)可以通過HPI口自由地讀寫DSP內(nèi)部存儲器中的任何一個單元。并且C5410為HPI口提供了專門的中斷線，這樣兩個系統(tǒng)可以通過中斷進行控制信息交互。HPI為上層系統(tǒng)的訪問提供了四個端口，通過這四個端口上層系統(tǒng)可以讀寫HPI的地址寄存器（HPIA）和控制寄存器（HPIC）；通過另外兩個端口HPIDC和HPIDS來分別連續(xù)和單個讀寫C5410存儲器中的數(shù)據(jù)。這四個端口由HCNTL0和HCNTL1來尋址，它們的地址分配如表1所示。

表1

本系統(tǒng)采用雙映射方式來完成C5410與PCI9052的連接。第一個映射是將HPI口的四個寄存器分別映射到PCI空間的四個16位I/O口上。上層系統(tǒng)可以通過訪問I/O端口的方式來訪問這四個寄存器，而依照HPI口的工作流程就可以間接地訪問C5410內(nèi)部存儲器。這四個寄存器和PCI9052本地I/O空間的對應(yīng)關(guān)系如下：

HPIC--100H

HPIDC--104H

HPIA--108H

HPIDS--10CH

在這種映射方式下，上層系統(tǒng)可通過PCI的I/O訪問方式直接訪問HPI口的四個寄存器，操作很直觀。由于I/O訪問無法進行突發(fā)傳輸，從而限制了數(shù)據(jù)傳輸速度。

第二種映射方式是將HPIDC寄存器映射成PCI空間的一個長度為2000H的8位存儲器塊。上層系統(tǒng)對該地址空間內(nèi)任一單元的讀寫操作都會被映射成對HPIDC的讀寫訪問。寫入的情況也類似?？梢钥闯?，實際上這種模式形成了一個PCI存儲器空間和DSP內(nèi)部存儲空間之間一一對應(yīng)的直接映射。

本系統(tǒng)利用I/O映射來訪問控制、地址寄存器和單個數(shù)據(jù)口，并用存儲器映射來訪問連續(xù)數(shù)據(jù)口。

在這種配置方法下，PCI9052和HPI口之間的硬件連接，主要利用PCI9052的讀寫控制信號ADS#、LBE［30］#、LW/R#、LRDY#和部分地址信號LA［32］進行簡單的時序和邏輯轉(zhuǎn)換后來生成HPI口的讀寫控制信號HBIL、HDS1#、HCNTL0/1、HR/W#.由于HPI口的訪問時鐘是C5410的外部頻率CLKOUT的5分頻，所以PCI9052的本地時鐘采用CLKOUT/5.

所有控制信號的接口邏輯和時序轉(zhuǎn)換都是由CPLD來完成，具體的連接方式如圖2所示。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理需要在C5410數(shù)據(jù)存儲器中開辟三種存儲塊：一種是DATA BUFFER，它與PMC4351中各個時隙的FIFO一一對應(yīng)，用于緩存每個時隙上采集到的消息數(shù)據(jù)；第二是DATA POOL（大小為1000H字），這是一個消息數(shù)據(jù)地，消息數(shù)據(jù)在DATA BUFFER中存滿一整條消息后，加上一些TS包頭后，形成一個新的消息包，存入到DATA POOL中；另外還要再開辟一個大小為1000H字節(jié)的存儲塊HPI RAM，這樣就將DSP的數(shù)據(jù)采集部分與上層系統(tǒng)通信部分相互隔離開來，互不干擾。在DATA POOL中存滿數(shù)據(jù)后，形成一個大的數(shù)據(jù)包，交給HPI RAM，通過PCI總線交給上層系統(tǒng)，進行進一步處理。整體的數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

由于DSP芯片的中斷引腳數(shù)目有限，而且中斷工作方式容易造成各個時隙數(shù)據(jù)采集不均勻的情況，本系統(tǒng)采用了輪詢的工作方式。軟件的具體流程如圖4所示。

圖4 　軟件流程圖

本文提出的雙映射配置方法和DSP軟件工作策略，將C5410 DSP和PCI總線相互連接，接口具有邏輯簡單、操作方便、效率高等優(yōu)點。在C5410的CLOCKOUT配置成64MHz的前提下，兩者之間數(shù)據(jù)傳輸速率理論峰值可達12.8Mbps，實際系統(tǒng)實現(xiàn)的平均速率達到了10Mbps。采用高性能的采集芯片，可充分發(fā)揮HPI口與PCI9052之間的高速數(shù)據(jù)連接，同時系統(tǒng)也可以升級到同時采集10條E1鏈路。

本文實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作良好，并已經(jīng)在電信部門得到采用。該系統(tǒng)目前已經(jīng)不僅僅用于采集移動通信數(shù)據(jù)，也開始應(yīng)用于采集V5、七號信號等協(xié)議的數(shù)據(jù)，滿足了系統(tǒng)功能設(shè)計的要求。