FPGA與ADSP TS201的總線接口設計

在雷達信號處理、數字圖像處理等領域中，信號處理的實時性至關重要。由于FPGA芯片在大數據量的底層算法處理上的優勢及DSP芯片在復雜算法處理上的優勢，DSP+FPGA的實時信號處理系統的應用越來越廣泛。ADI公司的TigerSHARC系列DSP芯片浮點處理性能優越，故基于這類DSP的DSP+FPGA處理系統正廣泛應用于復雜的信號處理領域。同時在這類實時處理系統中，FPGA與DSP芯片之間數據的實時通信至關重要。

　　TS201 DSP的外部總線接口有兩種協議：慢速協議和高速流水協議。流水線協議適合與快速同步設備連接，文中采用此協議，實現DSP與FPGA之間的通信。

　　1 DSP流水線協議

　　流水線協議用來提供流水線方式的數據傳輸。在該傳輸協議下，每個時鐘周期可以傳輸一個數據。控制流水線協議進行數據傳輸的主要信號包含以下引腳：

• 　　RD——數據傳輸讀信號；
• 　　WRH和WRL——數據傳輸寫信號；
• 　　BRST——突發方式數據傳輸指示；
• 　　ADDR——地址總線；
• 　　DATA——數據總線。

　　流水線協議數據傳輸有兩種方式：普通流水線協議和突發流水線協議。ADSP TS201的數據總線位寬可以通過SYSCON寄存器設置為32位或者64位，但是有時候需要傳輸的數據位寬可能是32位，64位或者128位，這樣就有可能出現數據總線位寬和數據位寬不一致的情況，如果總線位寬小于數據位寬，DSP采用突發流水協議傳輸，否則采用普通流水線協議。

　　1．1 普通流水線協議

　　圖1是DSP使用普通流水協議，寫FPGA內部寄存器時序圖，流水深度為1，在時鐘沿1地址線、WRx(WRH和WRL)同時有效，一個時鐘周期后，在時鐘沿2數據線有效，地址線、WRx無效。

　　1．2 突發流水線協議

　　因為數據總線位寬小于數據位寬，那么它只能通過兩次傳輸來完成。但是如果DSP沒有任何指示信號，FPGA并不知道當前傳輸是高32位數據，還是低32位數據，這時候另外一個信號BURST就顯得尤為重要了。

　　引腳BRST可以用來指示多個傳輸過程合成一個傳輸過程，圖2是DSP通過32位數據總線寫64位數據時序圖。

　　由圖2可以看出，數據傳輸機制與普通流水協議相同，只多了一個BRST指示信號，它與地址1同時有效，表示本次數據沒有傳輸完畢，下次要傳輸的數據與本次傳輸的數據是一個整體，即BRST有效時傳輸是低32位數據，無效時傳輸的是高32位數據，這樣就實現了在32位數據總線上傳輸64位數據，如果沒有BRST信號，該過程會被認為是2次32位傳輸。

　　同理，如果用32位數據總線傳輸128位數據，在傳輸前3個32位數據的時候，BRST信號有效，傳輸最后一個32位數據BRST無效。

　　注意：使用流水協議時，流水深度由傳輸類型(讀數據還是寫數據)決定。在寫數據傳輸中，流水深度固定為1；在讀數據傳輸中，流水線深度可由用戶編程決定，即由系統配置寄存器SYSCON決定，在1~4之間可變。

　　2 FPGA設計

　　由于DSP的協議是相對固定的，FPGA只需按照協議進行設計即可，下面以DSP訪問FPGA內部寄存器為例詳細介紹。筆者建議采用同步設計，主要信號、輸出信號都由時鐘沿驅動，可以有效避免毛刺。

　　為了使所設計的模塊通用化，可設流水深度、數據總線位寬、寄存器位寬、寄存器地址可設。筆者建議采用參數化設計，使用參數傳遞語言GENERIC將參數傳遞給實體，在實體內部使用外if…else結構，這樣在一個程序中可以包含各種情況，但不會增加邏輯的使用量。下面以個別情況為例，詳細介紹。

　　2．1 32位數據總線，32位寄存器，寫操作

　　前面提過，DSP采用流水協議寫FPGA時，流水深度固定為1，FPGA在前一時鐘沿采到地址、WRx信號有效，在下一時鐘沿就鎖存數據，如圖3所示，FPGA在時鐘沿1采到地址總線上的地址與寄存器地址一致，WRx信號為低，寫標志信號S_W_FLAG置高，由于采用同步設計，FPGA只有在時鐘沿2才能采到S_W_FLAG為高，一旦采到S_W_FLAG為高，FPGA就鎖存數據總線上的數據，即在時鐘沿2鎖存數據。

　2．2 32位數據總線，32位寄存器，讀操作

　　與寫寄存器不一樣，讀寄存器時流水深度在1到4之間可設，需要注意的是，為避免總線沖突，DSP不讀時，FPGA數據總線應保持三態。

　　如果流水深度設置為1，FPGA在前一時鐘沿采到地址、RD信號有效，應確保在下一時鐘沿數據已經穩定的出現在數據總線上，否則DSP不能正確讀取數據，如圖3所示，在時鐘沿1采到地址總線上的地址與寄存器地址一致，RD信號為低，驅動數據總線，在時鐘沿2數據已穩定出現在數據總線上，DSP可以讀取。

　　如果流水深度設置為2，FPGA在前一時鐘沿采到地址、RD信號有效，應確保隔一時鐘周期后，數據穩定的出現在數據總線上，這樣就像寫操作一樣，需要加一個標志，當條件滿足，標志為高，一旦標志為高，輸出數據，如圖4所示。

　　綜上所述，流水深度加深一級，FPGA就晚一個時鐘周期驅動數據總線。可以看出，雖然流水深度在1~4之間可設，但是總能保證一個時鐘周期傳輸一個數據。

　　2．3 32位數據總線，64位寄存器

　　前面提到，突發流水協議與普通流水協議數據傳輸機制是一樣的，只是多了一個指示信號BRST，當寫操作時，FPGA如果在前一時鐘沿采到地址、WRx、BRST信號有效，在下一時鐘沿就鎖存數據到寄存器低位，而如果在前一時鐘沿采到地址、WRL有效，而BRST信號無效，在下一時鐘沿就鎖存數據到寄存器高位。同樣，當讀操作時，FPGA如果采到地址、RD、BRST信號有效，就將寄存器低位驅動到數據總線上，而如果采到地址、RD有效，BRST而信號無效，就將寄存器高位驅動到數據總線上，具體在哪個時鐘沿驅動，由流水深度決定。

　　3 DSP設置

　　ADSP　TS201與FPGA通信時，DSP是否采用流水協議，數據總線位寬，以及流水深度都可以通過系統配置寄存器SYSCON進行設置，SYSCON詳細設置見文獻[3]，以32位數據總線訪問64位寄存器為例，一級流水，SYSCON設置為

　　4 結束語

　　文中實現了DSP通過外部總線接口訪問FPGA內部寄存器，但是如果需要傳輸的數據量很大，或者DSP與FPGA的時鐘不同步，就不能用寄存器來實現，需要借助于雙口RAM或者FIFO，讀者可以在本文的基礎上加以改進。