基于DSP內嵌PCI總線的衛星信號仿真器設計

　0 引 言

　　衛星信號仿真器在衛星導航的研究開發中占有重要地位，特別是多模接收機和高動態接收機的研發。多模衛星仿真器中涉及到大量的數據傳輸，為了保證PC機和DSP之間數據傳輸的實時性和準確性，選擇基于PCI總線接口進行數據傳輸。常用的PCI開發是采用專門的PCI接口芯片，但這樣系統就會多一塊芯片，性價比低，而TI公司TMS320C6416系列的DSP擁有內置PCI接口，使得硬件開發難度降低和主機對DSP資源訪問更加透明。提出一種基于TMS320C6416系列DSP的PCI總線衛星信號發生器的硬件平臺以及相應的PCI接口電路設計。

　　1 系統結構與實現方案

　　1．1 系統總體結圖

　　圖1是仿真器的總體結構框圖，其核心器件包括DSP6416，SDRRAM，FLASH，FPGA，D／A，時鐘以及PC機。其中，D／A完成數字信號到模擬信號的轉換；SDRAM作為外設存儲器存儲由PC機傳來的數據；FLASH用于在系統掉電后保存DSP的運行程序；FP-GA作為仿真器的另一核心部件，主要完成與DSP的通信、信號的合成和D／A的控制；PC機主要完成仿真器的數字信號處理與計算好的數據在PCI接口和DSP間的傳遞。DSP作為主機和FPGA之間的通信橋梁，主要完成兩方面的工作：一是定時接收PC機計算的各種控制字和電文，按照時序要求，將各通道的控制字發送給FPGA；二是由于PC機計算是雙精度浮點型的，而FPGA中只能以整型數據計算，這樣必然會造成兩者相位累加值的差異，隨著時間的流逝，誤差會越來越大，必須加以校正；但如果要將FPGA累加的數據再返回到PC機進行比較校正，在實時性上得不到保證，因此需要在DSP中實現對頻率字的校正。

　　在設計中，將SDRAM作為DSP的片外存儲器，配置在EMIFA的CE0空間內，FPGA與DSP通過EMI-FA接口交互數據，它配置在EMIFA的CE1和CE2空間內。EMIFB的CE1配置成異步8位通信方式與FLASH通信。

　　1．2 DSP與PCI接口電路連接設計

　　由于DSP TMS320C6416內部集成PCI接口，所以不需要橋接芯片，只需要設計與PCI母板之間的接口，不需要設計PCI與DSP本身之間的接口。由于仿真器是一個多電源系統，可以提供5 V，3．3 V，12 V的電源，所以對連接器采用多電源供電。此外，由于DSP是3．3 V系統，雖然它的PCI口能承受5 V電壓，但考慮到系統的穩定性，在DSP的PCI口和連接器之間加3個電壓轉換芯片IDTQS32X2245，將5 V電壓轉換成3．3 V電壓。由于DSP是集成的PCI接口，其電路設計較簡單，將DSP PCI接口的地址和數據總線直接連到IDTQS32X2245芯片的B管腳部分，將銅手指上的地址和數據總線連接到IDTQS32X2245芯片的A管腳部分，仲裁信號REQ，GNT、錯誤報告信號PERR，SERR、字節使能信號C／BE[3：O]、接口控制信號FRAM，IRDY，STOP， IDSEL，DEVESEL也都按相同的方法連接在相應的位置上。限于篇幅，這里僅給出DSP PCI接口部分與連接器的連接示意圖，如圖2所示。

　　2 DSP6416內嵌PCI關鍵寄存器及其中斷機制

　　DSP6416的PCI接口支持通過主／從總線接口連接DSP到PCI主機，PCI接口端通過EDMA內部硬件與DSP相連，它支持四種類型PCI數據交換：從模式讀，即外部PCI主設備通過PCI接口寫數據到DSP；從模式寫，即外部PCI主設備通過PCI接口從設備讀數據；主模式讀，即DSP主設備通過PCI接口讀數據到外部PCI從設備；主模式寫，即DSP主設備通過PCI接口寫數據到外部PCI從設備。

　　PCI寄存器主要包括3類：PCI配置寄存器、PCII／O寄存器、映射在DSP存儲空間作為外設的PCI寄存器。前兩類寄存器只能被外部主機訪問，而第三類寄存器可以被DSP和外部PCI主機訪問。

　　PCI配置寄存器包含標準的PCI配置信息(設備標識，廠商標識，分類代碼，基址等)；PCI I／O寄存器位于PCI主機的I／O空間，主機只能在：Base1和Base2訪問它們，PCI I／O寄存器包括HSR，HDCR，DSPP。如圖3所示，HSR寄存器表明主機的狀態，它的INTSRC位和INTAM位對于中斷處理至關重要。 INTAM位為1時，它可以屏蔽DSP發送的中斷，當該位為0時，只要。DSP設置RSTSRC字段中的INTREQ位時，可以使能PINTA，即主機在這時可以響應中斷。當INTSRC位讀為0時，表示PINTA自上次清除后無效，當讀為1時，表示PINTA處于使能狀態，該位寫0無效，寫1清除 PINTA的使能狀態。對于HDCR來說，PC機通過將DSPINT位置1產生主機中斷。DSPP主要和Base0一起定義一段存儲空間。

　　PCI內存映射外圍寄存器主要用于控制PCI接口，它可以被主機和DSP訪問，在該寄存器中，較重要的是RSTSRC寄存器，如圖4所示。

　　DSP通過將RSTSRC寄存器中的INTREQ置1產生中斷；PC機和DSP通過將INTRST置1清除中斷，這一點在驅動開發中至關重要，因為DSP 產生的中斷屬于電平中斷類型，如果不清除中斷，它將一直有效．這將會導致中斷響應函數不斷的調用，從而導致死機。

　　PCI端口通過3種基址寄存器可以完全訪問DSP的存儲器映射。

　　Base0：4 MB的可預存取空間，通過設置DSP頁寄存器映射所有DSP存儲器空間，預取讀使所有的字節有效。

　　Base1：8 MB非預取地址映射對應于所有的DSP存儲空間，非預取支持字節使能。

　　Base2：PCI的16MB I／O包括I／O寄存器。

　　這3種寄存器屬于PCI配置寄存器，PCI主機可以訪問映射在PCI存儲器空間4 MB的DSP存儲器，PCI端口包含一個PCI I／O寄存器(DSPP寄存器)從PCI地址到DSP地址的映射。當DSP作為PCI本地總線從屬時，使用該映射模式；當DSP上的PCI基地址寄存器被配置成一個8 MB不可預取區域時，該存儲空間映射為DSP內存映射寄存器(0180 0000h)。PCI地址的22：0位與一個固定偏移相連，將Base 1訪問映射到內存寄存器；基地址寄存器2配置16 B I／O空間，使PCI主機用于訪問PCI I／O寄存器。

　3 仿真器程序及驅動程序的開發

　　3．1 驅動工具的選擇

　　對于開發wDM型PCI驅動，常用的開發工具有三種。一是直接使用Windows DDK或者WDK工具；二是使用DriverStudio；三是使用WinDriver。第一種方式要求掌握Windows的體系結構、設備驅動的體系結構等知識，開發難度較大；第二種方式對DDK進行了封裝，難度雖然降低了些，但依然不小，而且由于封裝問題，可能帶來一些Bug，有可能導致項目失敗；第三種方式克服了傳統開發工具開發驅動周期長，效率低，需具有DDK和核心態程序開發經驗等缺點，大大簡化了ISA-BUS，PCIBUS等硬件設備驅動程序的開發過程，而且WinDriver還提供核心插件(Kerneal Plu-gin)功能，使開發者在用戶模式下調試代碼，然后將調試無誤的代碼搬到內核模式(Kernel Mode)中，因而使用WinDriver，具有簡單、快速、高效的特點。

　　3．2 WinDriver的工作原理

　　圖5是WinDriver的體系結構圖，陰影部分是WinDriver提供的組件。WinDriver提供以WinDrvr6．sys為底層的驅動棧層，直接與硬件交互，避免了用戶對硬件操作的復雜性，用戶開發驅動只需在應用程序中調用WinDriver用戶模式的API函數。這些用戶模式的函數調用 WinDriver的Kernel Module函數實現對硬件的訪問。對于某些要求比較高的硬件驅動(如要求響應中斷的速度足夠快)，如果用戶模式開發的驅動無法達到要求，開發者可以將用戶模式下調試好的代碼放入到WinDriver的Kernel Plugin模塊中，使得驅動開發可以在用戶模式下進行，而開發的驅動的效率完全可與內核模式下的驅動相媲美。

　　圖6為用WinDriver開發PCI驅動內部的API函數調用關系。

　　通常情況下，在應用程序中不直接調用這些API函數，而是通過二次開發，將這些API函數封裝在動態鏈接庫DLL中，然后應用程序調用DLL中封裝好的函數。

　　3．3 衛星信號仿真器應用程序框圖及相應PCI驅動的關鍵代碼分析

　　根據仿真器的總體設計，需要在PC機上實現二個功能模塊；

　　數字信號處理模塊該模塊是仿真器的核心模塊，實時仿真導航電文，計算衛星偽距、各通道的頻率字和碼控制字等。

　　通信模塊 該模塊主要是將PC機計算得到的相關信息通過PCI傳遞給DSP。

　　考慮到整個仿真器數據要求的實時性，通過中斷函數實現PC機中的程序傳輸數據，當DSP需要數據時，通過RSTSRC寄存器INTREQ位寫1產生一個中斷信號發送給PC機，但要使該中斷有效，必須要求主機狀態寄存器(HSR)中的INTAM位為0。因此在上位機程序中，初始化階段必須把該中斷使能位打開。應用程序的結構如圖7所示。

　　中斷處理步驟如下：

　　(1)應用程序打開中斷使能，系統等待中斷；

　　(2)如果中斷到來，則清除中斷標志，取消中斷源；

　　(3)在中斷函數中執行數據傳輸；

　　(4)數據傳輸完后給DSP發中斷，實現與DSP的握手；

　　(5)重新開啟中斷源。

　　第(2)步和第(5)步在中斷使能函數中實現。

　　中斷響應函數的關鍵代碼如下：

　　PCI主機給DSP發中斷是通過將HDCR寄存器的DSPINT位置1實現的，要注意產生該中斷的有效前提條件是PCI的中斷使能寄存器(PCIIEN)HOSTSW位被使能，即HOSTSW=1。

　　為了便于使用PCI的驅動函數和以后驅動程序發布的需要，將驅動函數封裝在動態鏈接庫DLL中，它們中主要函數的關鍵代碼如下：

　　為了使PC機能夠正確地捕獲到由DSP傳來的中斷，在動態鏈接的DSP6416_IntEnable()函數中，必須設置內核模式下的中斷傳輸命令，因為它的優先級比用戶模式下的中斷響應函數高，因而一旦DSP產生中斷，首先執行的是內核模式下的中斷傳輸命令。由于DSP6416內嵌PCI產生的中斷屬于電平敏感中斷，如果不清除中斷它將一直有效，這將會導致中斷響應函數不斷執行而死機。因此，必須在中斷使能函數設置中斷傳輸命令。在該例中，先從HSR中讀取一個DWORD，然后在中斷傳輸命令中設置CMD_MASK位。如果前面從HSR中讀出的值為0x04，則屏蔽DSP所產生的中斷，否則不執行屏蔽命令，然后在中斷傳輸命令中向DSP的RSTSRC寫入0x10清除中斷。圖6中用到的關閉中斷使能和關閉設備2個函數可分別通過調用WinDriver中 WDC_IntDisable()，WDC_PciDe_viceClose()，WDC_DriverClose()的函數等實現。此外，調用這些函數之前要判斷中斷是否存在，設備是否打開，否則會出現嚴重錯誤。

　　3．4 衛星信號仿真器實驗驗證

　　設置衛星信號仿真器場景：用戶位置為北緯60°00'00"，東經100°00'00"，高程300 m，靜止狀態。GG24接收機的解算結果如圖8所示。

　　GG24接收機解算結果是北緯59°59'59．867 52"，東經99°59'57．636 24"，高程為308．02 m，與設置的場景，即北緯60°00'00"，東經100°00'00"，高程300 m相當吻合。因此，這說明了仿真器的正確性和有效性。

　　4 結 語

　　在此設計的基于DSP6416內嵌PCI數據傳輸硬件平臺和驅動開發方案已用于多模衛星信號仿真器中，該方案數據傳輸穩定，速度快(可達115 MB／s)，采用WinDriver軟件工具包開發DSP6416內嵌的PCI設備驅動程序，不但可以極大地縮短開發周期，而且還提高了衛星信號仿真器的開發效率和整體性能。