基于PCI總線數字信號處理機的硬件設計

以INTEL公司為主推出的PCI總線規范。采用PCI總線設備所具有的配置空間以及PCI總線通過橋接電路與CPU相連的技術使PCI總線具有廣泛的適應性，同時能滿足高速設備的要求。

　　另一方面，DSP的發展也異常迅速。ADI公司于2001年發布了其高性能TigerSHARC系列DSP的新成員，采用這樣系列的芯片，可研制出處理能力更強，體積更小，開發成本更低，性價比更高的信號處理機。并廣泛地應用于信號處理、通信、語音、圖像和軍事等各個領域。

　　TS101S介紹

　　本系統采用美國ADI公司的高性能TigerSHARC101S作為主處理器，簡稱TS101S。ADSPTS101S處理支持32bit和64bit浮點，以及8、16、32和64bit定點處理。它的靜態超量結構使DSP每周期能執行多達4條指令，進行24個16bit定點運算和6個浮點運算。其內部有三條相互獨立的128bit寬度和內部數據總線，每條連接三個2Mbit內部存儲塊中的一個，提供4字的數據、指令及I/O訪問和14.4Gbyte/S的內部存儲帶寬。以300MHZ時鐘運行時，其內核指令周期為3.3ns。在發揮其單指令多數據特點后，ADSPTS101S可以提供每秒24億次40bitMAC運算或6億次80bitMAC運算。以300MHz時鐘運行時，完成1024點復數FFT(基2)時間僅32.78us。1024點輸入50抽頭FIR需91.67us。

　　ADSPTS101S有強大的鏈路口傳輸功能，每個鏈路口傳輸速度已達到250Mbyte/S。總的鏈路數據率達1Gbyte/S(4個鏈路口)，已經超過了外部口的傳輸速率(800Mbyte/S)。

　　信號處理機的硬件結構

　　系統結構主要包括A/D轉換、數據存儲、邏輯控制，時鐘分配和數據傳輸五大模塊。以DSP為核心處理單元的信號處理機是以PCI插卡的形式直接插入計算機的PCI總線插槽中。信號處理機通過PCI接口芯片與PCI總線連接，其功能是實現PC機與信號處理機之間數據傳輸和存儲。其系統結構圖如圖1：

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　　圖1系統結構圖

　　其中A/D轉換器采用AD公司16位高精度A/D芯片AD976ARS，它是采用電荷重分布技術的逐次逼近型模數轉換器，器結構比傳統逼近型ADC簡單，且不再需要完整的模數轉換器作為核心。AD976ARS具有以下特點：

• 　　*它是16位的高精度A/D，可以做到16位不失碼。
• 　　*帶有高速并行接口。
• 　　*轉換速度為200ksps。
• 　　*可選內部或外部的2.5V參考電源。
• 　　*帶有片上時鐘。

可直接接運放AD8033輸出，其中AD8033是低功耗、高精度的運放，這里接成跟隨器模式。轉換時鐘由CPLD給出(R/C)信號，CPLD轉接DSP1的TMR0E，并倒相后形成R/C信號，這樣，數據采集的周期由DSP的定時器控制，可以實現周期可調的。又將AD976AARS的BUSY信號引入到CPLD，用于鎖存A/D轉換數據。運放與A/D的電路結構如圖2：

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　　系統采用1片CPLD(EMP3256)作A/D轉換輸入數據鎖存、產生DSP所需的復位信號等。同時，CPLD還要完成PCI橋的一些控制信號的生成、轉接。實際上也就是作為PCI局部總線的仲裁器，它對PCI接口芯片和DSP提出的占用局部總線的請求進行仲裁，協調它們之間的邏輯關系，使局部總線上的操作順利進行。系統還采用了兩片16K×16位的雙口RAMIDT70V261來構成DSP信號處理機與PCI的接口，其中RAM1作數據輸入，RAM2作數據輸出。

　　PCI橋采用PCI9054完成，PCI9054是PLXTechnology公司的較新產品，是一低成本，低功耗，功能較強的PCI橋芯片，可以連接PC機的PCI總線和局部總線，是先進的PCII/O加速器，采用了先進的PLX數據流水線結構技術，是32位、33MHz的PCI總線主I/O加速器;符合PCI本地總線規范2.2版，有M、C、J三種模式;針對不同的處理器及局總線特性可選，盡量減少中間邏輯;具有可選的串行E2PROM接口，本地總線時鐘可和PCI時鐘異步。PC9054內部有6種可編程的FIFO，以實現零等待突發傳輸及本地總線和PCI總線之間的異步操作;支持主模式、從模式、DMA傳輸方式，因其強大的功能可應用于適配卡和嵌入式系統中。但由于DSP沒有提供直接與PCI9054接口的引腳，故采用雙口RAM作數據緩沖，其優點是不必改造PCI產生信號以適應DSP的要求。時序配置上較為容易。同時，分開設置的輸出輸入通道，也方便了用戶的應用。

　　DSP1與EPROM,雙口RAM，及CPLD連接如圖3：

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雙口RAM采用IDT70261，它是由美國IDT公司生產的高速16kX16帶有中斷的雙端口SRAM。它采用100—pmTQFP封裝，典型功耗為750mW，最大存取時間有兩個等級：商業級有15/20/25/35/55ns(max),工業級有20/25/35/55ns(max)。它具有如下特點：

　　(1)有兩套完全獨立的控制線，地址線和I/O線，允許兩個獨立的系統同時對雙端口存儲器進行訪問。

　　(2)具有完全獨立的忙邏輯，可以保證兩個系統對同一單元進行讀寫操作的正確性。 (3)中斷邏輯允許CPU通過端口直接進行通信，標識器邏輯允許兩個控制器共享資源。

　　(4)允許數據高速存取，最快存取時間為15ns,可與大多數高速處理器配合使用，無需插入等待狀態。

　　(5)具有Master/Slaver控制腳，在存儲容量和數據位寬上能方便地擴展。

　　(6)各端口完全異步操作。

　　雙口RAM作DSP3(TS101S)輸出暫存，故與DSP3的WRL相連。DSP3與雙口RAM的連接如圖4：

　　

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　　本系統采用DSP片之間以鏈路口互連方式，每對DSP間保留2個鏈路通道，總數據速率可達500Mbyte/S。采用鏈路口互連可以大大簡化PCB板的復雜度。鏈路口互連是ADSP系列芯片的特有功能，也是ADSP處理器能以低成本組成多片高性能信號處理機的主要因素。DSP間的連接如圖5：

　　

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　　結束語

　　本系統用于從外部采集信號，經數字信號處理機上的DSP芯片做信號處理，然后實現與PC機實時傳輸及數據存儲，因此可對信號處理結果進行實時更新，從而實現數字信號處理機與相應設備間的高速數據傳輸。本系統還可應用于高速數據采集卡、視頻處理卡、網卡等高速設備中。其中TigerSHARC系列芯片以其強大的運算能力從而大大的降低了開發成本，同時信號處理機的研制周期也可大為縮短，更容易的研制出性價比更高的信號處理機。而PCI9054以其強大的功能和簡單的用戶接口，為PCI總線接口的開發提供了一種簡潔的方法，本系統經過測試，高速數據能夠正確采集和傳輸。在高速數據傳輸系統中，利用PCI總線的高速特性實時傳輸和存儲采集數據，有效解決了數據的傳輸和處理的實時性，隨著PCI總線的普及應用，基于PCI總線的傳輸系統設計有十分廣闊的前景。