采用FPGA+DSP+ARM的架構(gòu)作為實(shí)時(shí)信息處理平臺(tái)的詳細(xì)分析

采用FPGA+DSP+ARM的架構(gòu)作為實(shí)時(shí)信息處理平臺(tái)的詳細(xì)分析在飛控組件測(cè)試時(shí)，由于被測(cè)系統(tǒng)與上位機(jī)有一定距離，如果直接把遙測(cè)并行數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，將會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的衰減和信號(hào)延時(shí)問(wèn)題，有可能使信號(hào)時(shí)序錯(cuò)位，從而達(dá)不到系統(tǒng)測(cè)試的要求。為此，需要研制一種數(shù)據(jù)傳送總線變換器，用來(lái)完成被測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)失真的、實(shí)時(shí)的、遠(yuǎn)距離與上位機(jī)的通信，并能接收上位機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程交互。1數(shù)據(jù)傳送總線變換器的整體設(shè)計(jì)綜合考慮到測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求，選擇以太網(wǎng)口作為數(shù)據(jù)傳送總線變換器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口，以高速串口作為控制口，采用FPGA+DSP+ARM的架構(gòu)作為實(shí)時(shí)信息處理平臺(tái)。數(shù)據(jù)傳送總線變換器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，F(xiàn)PGA作為數(shù)據(jù)預(yù)處理器，完成并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)預(yù)處理任務(wù)；DSP讀取FPGA處理后的數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)壓縮的任務(wù)；ARM作為中央處理控制器，主要完成從DSP系統(tǒng)中讀取已經(jīng)編碼好的數(shù)據(jù)并通過(guò)以太網(wǎng)口完成與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信任務(wù)。上位機(jī)按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、產(chǎn)品的數(shù)據(jù)遙測(cè)協(xié)議解調(diào)出各類物理變量，記錄并存儲(chǔ)。測(cè)試人員通過(guò)上位機(jī)完成工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制與各種信息交互任務(wù)。在該系統(tǒng)中采用了FPGA+DSP+ARM的高端架構(gòu)，但是衡量一個(gè)系統(tǒng)的整體性能不僅要看所使用的器件和所完成的功能，還要看各個(gè)器件之間的接口形式。在FPGA+DSP+ARM的信息處理平臺(tái)上，三者之間的接口形式將決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。為滿足實(shí)時(shí)的信號(hào)處理任務(wù)，在選擇DSP芯片時(shí)，不僅要考慮DSP芯片的處理速度，還要考慮DSP芯片與FPGA、ARM的接口能力，選擇帶有EMIF和HPI接口的DSP使其與FPGA、ARM無(wú)縫連接成為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)。2器件選型在該數(shù)據(jù)傳送總線變換器中，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司最新推出的低成本現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列Spartan-3E系列中的XC3S500E。XC3S500E包含有20個(gè)BlockRAM，每個(gè)RAM塊中的18KB的模塊存儲(chǔ)器，是完全同步、真正的雙端存儲(chǔ)器。用戶可獨(dú)立地從每個(gè)端口讀出或向每個(gè)端口寫(xiě)入（但同一地址不能同時(shí)進(jìn)行讀和寫(xiě)）。另外，每個(gè)端口都有一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘，對(duì)每個(gè)端口的數(shù)據(jù)寬度都可以獨(dú)立進(jìn)行配置。ARM芯片選用Samsung公司的S3C4510B。S3C4510B是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價(jià)比16/32bitRISC微控制器，內(nèi)含一個(gè)由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32bitARM7TDMIRISC處理器核。除了ARM7TDMI核以外，S3C4510B還有許多重要的片內(nèi)外圍功能模塊，其中就有一個(gè)以太網(wǎng)控制器，用于S3C4510B系統(tǒng)與其他設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信[1]。DSP芯片選用TI公司的TMS320C6416。TMS320C6416是TI公司推出的高速定點(diǎn)DSP，它擁有處理能力強(qiáng)大的CPU、高達(dá)1MB的RAM、豐富的外設(shè)接口。外設(shè)包括CPU訪問(wèn)外圍設(shè)備提供無(wú)縫接口的靈活的外部存儲(chǔ)器接口EMIFA和EMIFB，一個(gè)使得DSP很容易通過(guò)PCI接口無(wú)縫連接到一個(gè)具有PCI功能的外部主CPU上的PCI接口，一個(gè)16/32bit寬的異步并行接口HPI（和PCI共用相同的引腳），一個(gè)提供64bit數(shù)據(jù)通道訪問(wèn)的增強(qiáng)型EDMA等。其高速的處理速度滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，并能實(shí)現(xiàn)與多種外設(shè)無(wú)縫連接。3硬件設(shè)計(jì)3.1ARM與DSP的接口電路3.1.1DSPTMS320C6416HPI描述TMS320C6416集成有一個(gè)16/32bit寬主機(jī)接口HPI，HPI通過(guò)復(fù)位時(shí)的自舉和器件配置引腳HD5選擇采用HPI16還是HPI32。HPI具有兩條地址線HCNTRL[1:0]，負(fù)責(zé)對(duì)HPI的內(nèi)部寄存器進(jìn)行尋址。HPI只有3個(gè)32bit內(nèi)部寄存器，分別是控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA和數(shù)據(jù)寄存器HPID。用戶只需對(duì)上述3個(gè)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)操作，就能完成對(duì)DSP內(nèi)存空間的訪問(wèn)[2]。3.1.2S3C4510B與TMS320C6416的接口電路由于S3C4510B中沒(méi)有完全符合TMS320C6416HPI接口時(shí)序的外部接口可以直接使用，因此選用S3C4510B中時(shí)序最接近HPI接口時(shí)序的外部I/O接口與TMS320-C6416進(jìn)行連接。TMS320C6416與S3C4510B接口電路如圖2所示。TMS320C6416與S3C4510B通過(guò)單獨(dú)的32bit數(shù)據(jù)線HD0~HD31和8條控制線進(jìn)行連接。S3C4510B通過(guò)HPI接口訪問(wèn)DSP內(nèi)部的RAM以及其他外部資源。在整個(gè)ARM微處理器與DSP芯片通過(guò)HPI接口通信和數(shù)據(jù)交換的過(guò)程中，除了中斷ARM和清除ARM發(fā)過(guò)來(lái)的中斷需要DSP本身參與外，其他操作DSP都處于被動(dòng)的地位，幾乎不用進(jìn)行其他的操作。所以對(duì)于ARM來(lái)說(shuō)，DSP系統(tǒng)單元就相當(dāng)于一片外接的SDRAM。在TMS320C6416中，HPI、GP[15：9]、PCI、EEPROM、McBSP2