基于TMS320C6455的高速SRIO接口設(shè)計(jì)

引 言

??????? 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、聲納、遙感、圖形圖像處理和語(yǔ)音處理等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體工藝的進(jìn)入深亞微米時(shí)代，新的功能強(qiáng)勁的高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)也相繼推出，如ADI（美國(guó)模擬器件）公司的TigerSHARC系列和TI（德州儀器）公司的C6000系列，但是，要實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)算量和實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高的DSP 算法，如對(duì)基于分?jǐn)?shù)階傅立葉變換的Chirp信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)，合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像，高頻地波雷達(dá)中的自適應(yīng)濾波和自適應(yīng)波束形成等算法，單片 DSP 仍然顯得力不從心。這些挑戰(zhàn)主要涉及兩個(gè)主題：一是計(jì)算能力，指設(shè)備、板卡和系統(tǒng)中分別可用的處理資源。采用多DSP、多FPGA系統(tǒng)，將是提高運(yùn)算能力的一個(gè)有效途徑。二是連接性，從本質(zhì)上說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備、板卡和系統(tǒng)之間的“快速”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。對(duì)于一些復(fù)雜的信息系統(tǒng)，對(duì)海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性提出了苛刻的要求，多DSP之間、DSP與高速AD采集系統(tǒng)、DSP與FPGA間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是影響信號(hào)處理流程的主要瓶頸之一。TI公司最新推出的高性能 TMS320C6455（下文稱(chēng)C6455）處理器，具有高速運(yùn)算能力的同時(shí)集成了高速串行接口SRIO，方便多DSP以及DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸，在一定程度上滿(mǎn)足了高速實(shí)時(shí)處理和傳輸?shù)囊?。本文在多DSP+FPGA通用信號(hào)處理平臺(tái)的基礎(chǔ)上，深入研究了多DSP間，DSP與FPGA間的SRIO的數(shù)據(jù)通信和加載技術(shù)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)包括了目前SRIO接口的各種應(yīng)用方式，可作為SRIO接口及C6455開(kāi)發(fā)提供參考[1-3]。

1 C6455特性及SRIO標(biāo)準(zhǔn)介紹

??????? C6455是目前單片處理能力最強(qiáng)的新型高性能定點(diǎn)DSP，它是TI 公司基于第三代先進(jìn)VeloviTI VLIW(超長(zhǎng)指令字)結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)出來(lái)的新產(chǎn)品。最高主頻為1.2GHz，16位定點(diǎn)處理能力為9600MMAC/s。C6455建立在增強(qiáng)型C64x+ DSP內(nèi)核基礎(chǔ)之上，代碼尺寸平均縮短了20%至30%，周期效率提高了20%。C6455不僅是內(nèi)核的增強(qiáng)和運(yùn)算速度的提升，相比以前的芯片，集成了豐富的外圍接口，如千兆以太網(wǎng)控制器，66 MHz PCI總線(xiàn)接口，最重要的是增加了新的外設(shè)接口SRIO，全雙工工作時(shí)，四個(gè)端口峰值速率每秒高達(dá)25 Gbits，解決了DSP高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，降低了開(kāi)發(fā)多處理器系統(tǒng)的難度[4-5]。

???????? RapidIO是新一代高速互連技術(shù)，已于2004年被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電工協(xié)會(huì)(IEC)批準(zhǔn)為ISO/IEC DIS 18372標(biāo)準(zhǔn)。RapidIO互連定義包括兩類(lèi)技術(shù)：面向高性能微處理器及系統(tǒng)互連的Parallel RapidIO接口；面向串行背板、DSP和相關(guān)串行控制平面應(yīng)用的Serial RapidIO接口。SRIO支持編程模型包括基本存儲(chǔ)器映射IO事務(wù)、基于端口的消息傳遞和基于硬件一致性的全局共享分布式處理器。

??????? SRIO互連架構(gòu)是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足了嵌入式基礎(chǔ)實(shí)施在應(yīng)用方面的廣泛需要。可行的應(yīng)用包括多處理器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的存儲(chǔ)器映射I/O器件、存儲(chǔ)子系統(tǒng)和通用計(jì)算平臺(tái)。這一互連技術(shù)主要作為系統(tǒng)內(nèi)部互連，支持芯片到芯片和板到板的通信，可以實(shí)現(xiàn)從1Gbps到60Gbps的性能水平，在高速互連方面將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景[6]。
2 C6455間的SRIO通信

2.1 C6455間的接口互連

?????? C6455內(nèi)嵌了SRIO模塊，擁有4個(gè)全雙工的port（端口），支持SRIO 1x/4x串行協(xié)議。每個(gè)port支持1.25Gbps、2.5Gbps、3.125Gbps的波特率，每個(gè)port可以單獨(dú)構(gòu)成1x模式，也可以四個(gè) port共同構(gòu)成4x模式。SRIO采用的是CML（電流型邏輯）電平，布線(xiàn)時(shí)必須遵循布線(xiàn)約束。為了最小化來(lái)自接收方100歐終端電阻的反射，差分對(duì)應(yīng)該具有50歐的阻抗，并且差分走線(xiàn)必須等長(zhǎng)。在接收端串接耦合電容，隔離直流偏置。圖1是兩片C6455之間SRIO接口設(shè)計(jì)。

2.2 包格式

??????? SRIO的傳輸操作是基于請(qǐng)求和響應(yīng)機(jī)制，包（packet）是系統(tǒng)中端點(diǎn)器件的通信單元。圖2是一次傳輸操作的流程圖。首先由發(fā)起者產(chǎn)生一個(gè)傳輸請(qǐng)求，請(qǐng)求包被傳輸?shù)较噜彽慕粨Q器件，從而進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)，通過(guò)交換機(jī)構(gòu)這個(gè)完整的請(qǐng)求包被轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)器件。目標(biāo)器件根據(jù)請(qǐng)求完成相應(yīng)操作后，發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)包，經(jīng)過(guò)交換機(jī)構(gòu)傳回到發(fā)起者。此時(shí)一個(gè)完整的傳輸過(guò)程完成。

??????? SRIO有三個(gè)層的協(xié)議共同組成，每層協(xié)議在包中都有體現(xiàn)。圖3給出典型的請(qǐng)求包和響應(yīng)包的包格式示意圖。

??????? 請(qǐng)求包以物理層字段開(kāi)始。S位指示這是一個(gè)包還是一個(gè)控制符號(hào)，AckID表明交換結(jié)構(gòu)器件將使用控制符號(hào)來(lái)確認(rèn)哪一個(gè)包，Prio字段指示用于流量控制的包優(yōu)先級(jí)，TT為目標(biāo)地址和源地址字段指示傳輸?shù)刂返臋C(jī)制類(lèi)型、報(bào)應(yīng)被遞送到的器件的地址和產(chǎn)生包的器件的地址，F(xiàn)type表示正被請(qǐng)求的事務(wù)，長(zhǎng)度字段等于編碼后事務(wù)的長(zhǎng)度，SRIO事務(wù)數(shù)據(jù)的有效載荷長(zhǎng)度從1到256字節(jié)不等，源事務(wù)ID指示發(fā)送器件的事務(wù)ID，SRIO器件在兩個(gè)端點(diǎn)器件間最多允許256個(gè)未完成的事務(wù)。對(duì)于存儲(chǔ)器映射事務(wù)，跟隨在源事務(wù)ID后面的是器件偏移地址字段，用于指示數(shù)據(jù)的存放地址，CRC為校驗(yàn)碼。

??????? 響應(yīng)包與請(qǐng)求包類(lèi)似，狀態(tài)字段指示是否成功完成了事務(wù)，目標(biāo)事務(wù)ID字段的值與請(qǐng)求包中斷事務(wù)ID字段的值相等。

2.3 SRIO基本讀寫(xiě)和門(mén)鈴操作

??????? 根據(jù)包的格式的不同，將事務(wù)劃分成很多類(lèi)型，其中最重要的類(lèi)型有三種：NREAD(基本讀操作)、NWRITE(基本寫(xiě)操作)、DOORBELL(門(mén)鈴操作)。 通過(guò)這三種類(lèi)型的組合就可以完成所有的存儲(chǔ)器讀寫(xiě)操作。在介紹讀寫(xiě)操作之前，先介紹一下與SRIO有關(guān)的DMA操作。

??????? 在C6455上，SRIO數(shù)據(jù)傳輸和DMA傳輸是結(jié)合的。此DMA與EDMA方式是獨(dú)立的，當(dāng)進(jìn)行SRIO傳輸時(shí)，DMA以自動(dòng)方式啟動(dòng)。對(duì)與發(fā)送方來(lái)說(shuō)，DMA將數(shù)據(jù)從L2 SRAM搬移到SRIO端口，對(duì)于接收方來(lái)說(shuō)，DMA將數(shù)據(jù)從SRIO端口搬移到L2 SRAM內(nèi)存。因此，在進(jìn)行傳輸時(shí)，讀寫(xiě)地址是直接顯示在包里的，而且此地址就是被讀寫(xiě)的DSP的地址。換句話(huà)說(shuō)，DSP可以對(duì)另一片DSP的L2 SRAM直接進(jìn)行讀寫(xiě)操作。圖4就是自動(dòng)DMA的傳輸操作。

??????? 讀寫(xiě)操作和門(mén)鈴操作主要由圖5中的7個(gè)寄存器進(jìn)行控制，這些寄存器里的值會(huì)自動(dòng)加入到包中。在SRIO總線(xiàn)上，每個(gè)SRIO設(shè)備都有一個(gè)相應(yīng)的設(shè)備地址，設(shè)備地址好比一個(gè)SRIO設(shè)備的ID，用于區(qū)別不同的SRIO設(shè)備。當(dāng)SRIO總線(xiàn)上的一個(gè)SRIO設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，它發(fā)送的包就含有設(shè)備地址，只有自身設(shè)備地址與包的設(shè)備地址符合的SRIO設(shè)備才會(huì)對(duì)此次傳輸做出響應(yīng)。SRIO Address MSB和SRIO Address LSB共同構(gòu)成64-bit尋址，指示的是被訪(fǎng)問(wèn)SRIO設(shè)備的地址。開(kāi)發(fā)板上只用到32-bit尋址，因此，SRIO Address MSB為0，SRIO Address LSB指示的是被訪(fǎng)問(wèn)的DSP的地址。DSP address指示的是本地DSP的地址。Byte_count這一項(xiàng)給出的是傳輸字節(jié)數(shù)，一次讀寫(xiě)操作(可以是很多包)最多可以傳送4Kbytes的數(shù)據(jù)。DestID是目標(biāo)設(shè)備的ID號(hào)，用來(lái)區(qū)分SRIO總線(xiàn)上的設(shè)備。Drbll Info用于門(mén)鈴事件，通過(guò)此位段的設(shè)置，從而向目標(biāo)DSP產(chǎn)生中斷。Packet Type用來(lái)指示此次傳輸?shù)念?lèi)型，例如NREAD、NWRITE和DOORBELL等。

???????? 圖6是SRIO模塊的NREAD、NWRITE和DOORBELL程序編寫(xiě)流程圖。首先初始化SRIO端口，此過(guò)程主要需要配置和使能PLL模塊，使能并配置接收模塊，使能并配置發(fā)送模塊，使能并配置中斷模塊。配置這些模塊特別要注意的是使主DSP和從DSP的時(shí)鐘模塊工作在相同的波特率。初始化完成后，查詢(xún)SRIO鏈路是否成功建立，如果SRIO鏈路沒(méi)有建立，則重新初始化SRIO端口，直到SRIO鏈路建立為止。鏈路建立后就可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作和門(mén)鈴操作，兩片DSP之間可以進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際測(cè)試表明，DSP間的數(shù)據(jù)傳輸可工作于1x和4x模式，每種模式可以正常工作于每通道3.125Gbps 的傳輸速率。

3 C6455間的SRIO加載

3.1 C6455引導(dǎo)模式

??????? 在C6455的地址空間0x00100000到0x00107FFF集成了32K的內(nèi)部ROM。此ROM中固化了一段 “boot loader”的引導(dǎo)代碼，它主要作用是在DSP上電時(shí)，對(duì)DSP進(jìn)行必要的配置，以便輔助HPI/PCI/SRIO等接口進(jìn)行加載；另外，它還可以將代碼從外部存儲(chǔ)器讀到內(nèi)部L2 SRAM，以完成代碼加載。

??? C6455復(fù)位和上電時(shí)的引導(dǎo)模式主要有：NO BOOT模式，主機(jī)引導(dǎo)模式，F(xiàn)LASH引導(dǎo)模式，主I2C引導(dǎo)模式，從I2C引導(dǎo)模式，SRIO引導(dǎo)模式。C6455的EMIFA端口引腳EMIFA [0：19]和ABA[1：0]被復(fù)用作配置引腳，和專(zhuān)用引腳PCI_EN一起構(gòu)成C6455的硬件配置引腳。采用哪種引導(dǎo)模式，由復(fù)位或上電時(shí)采樣管腳 BOOTMOOD[3:0]來(lái)決定[7-9]。表1是引導(dǎo)模式選擇方式。

??????? 對(duì)被加載的從DSP來(lái)說(shuō)，設(shè)置BOOTMOOD[3:0]=1x00，此時(shí)為SRIO引導(dǎo)模式，SRIO被配置成四個(gè)1x端口，由port0對(duì)從DSP進(jìn)行加載。另外，差分晶振選擇125M的時(shí)鐘源。上電后，固化在從DSP內(nèi)部ROM的“boot loader”對(duì)從DSP進(jìn)行一些必要的初始化配置：
使能全局中斷，SRIO的中斷管腳被使能，使從 DSP可以接收來(lái)自主DSP的中斷；

?????? boot loader配置PLL1模塊為15倍頻，也就是使內(nèi)核工作在750MHz；

?????? boot loader初始化從 DSP的SRIO端口，使SRIO的時(shí)鐘模塊配置成1.25G。

?????? 主DSP對(duì)SRIO端口進(jìn)行初始化配置，并將時(shí)鐘模塊配置成1.25G。此時(shí)主DSP與從DSP之間互相發(fā)送同步信息，直到鏈路建立。鏈路成功建立以后，主DSP執(zhí)行NWRITE操作，將待加載程序裝載到L2 SRAM內(nèi)存中。代碼裝載完成后，執(zhí)行門(mén)鈴操作，向從DSP發(fā)送中斷，從DSP收到中斷后脫離“掛起”狀態(tài)，從地址0x800000處運(yùn)行程序，加載過(guò)程結(jié)束。圖7便是SRIO引導(dǎo)過(guò)程。實(shí)測(cè)表明，主DSP通過(guò)FLASH加載完成后，可通過(guò)SRIO接口對(duì)從DSP完成加載。

4 C6455與FPGA等構(gòu)建SRIO網(wǎng)絡(luò)

??????? SRIO與微處理器總線(xiàn)類(lèi)似，它在硬件中完成存儲(chǔ)器和器件尋址以及分組處理，降低了用于I/O處理的開(kāi)銷(xiāo)，減小了延遲。一個(gè)運(yùn)行于3.125 Gbps的4通道SRIO鏈路能在完全保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的前提下提供25 Gbps的流量，保障了海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。
SRIO網(wǎng)絡(luò)建立在兩個(gè)“基本模塊”基礎(chǔ)之上：端點(diǎn)設(shè)備(Endpoint)和交換設(shè)備(Switch)。有兩種連接方式，一種是簡(jiǎn)單的端點(diǎn)到端點(diǎn)互聯(lián)，一種是端點(diǎn)到交換設(shè)備的互聯(lián)，端點(diǎn)設(shè)備負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)包，交換設(shè)備負(fù)責(zé)在端口之間傳遞數(shù)據(jù)包，但不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的解釋。通過(guò)Switch交換，可以構(gòu)建一個(gè) CPU，DSP以及FPGA不同平臺(tái)互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，進(jìn)行共享式或分布式處理。圖8給出了SRIO網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建模塊。

??????? C6455具有很強(qiáng)的處理能力，但對(duì)于并行算法，采用FPGA可以達(dá)到更高的效率。本文以SRIO為橋接，設(shè)計(jì)了一個(gè)C6455和Xilinx Virtex-4 FPGA兩者相結(jié)合的處理平臺(tái)，C6455和Virtex-4都有豐富的接口，該平臺(tái)不但實(shí)現(xiàn)了C6455與Virtex-4之間的數(shù)據(jù)傳輸，還實(shí)現(xiàn)了 PCI、網(wǎng)絡(luò)MAC、USB等不同協(xié)議域之間建立數(shù)據(jù)流。結(jié)構(gòu)如圖9所示。
SRIO系統(tǒng)由一塊主C6455管理，可加載另外2片C6455，也可建立SRIO到SRIO，PCI到SRIO，MAC到SRIO等數(shù)據(jù)流。 Xilinx公司根據(jù)最新的RapidIO v1.3規(guī)范設(shè)計(jì)了其端點(diǎn)IP解決方案，同時(shí)集成了PCIe，以太網(wǎng)MACs等IP核，PCIe的32/64位地址空間(基地址)可自動(dòng)映射至34/66 位SRIO地址空間(基地址)。PCIe應(yīng)用程序通過(guò)內(nèi)存或I/O讀寫(xiě)與C6455通信。這些事務(wù)均可通過(guò)流寫(xiě)入、原語(yǔ)和確認(rèn)讀/寫(xiě)事務(wù) (SWRITEs, ATOMIC, NREADs, NWRITE/NWRITE_Rs)等I/O操作映射至SRIO空間。以實(shí)現(xiàn)從PCIe到SRIO或從SRIO向PCIe的轉(zhuǎn)換，從而在各個(gè)協(xié)議域之間建立數(shù)據(jù)流。

5 結(jié) 論

????? 在C6455等高端DSP中，SRIO已逐漸成為主流數(shù)據(jù)互連方式之一。SRIO具有引腳少、I/O處理開(kāi)銷(xiāo)低、可達(dá)3.125Gbps高速率等優(yōu)勢(shì)， C6455間的SRIO通信設(shè)計(jì)和基于SRIO的加載技術(shù)提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，而基于DSP和FPGA的SRIO網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)降低了多處理器集成的難度，可方便進(jìn)行共享式或分布式處理，構(gòu)成具備共享帶寬和強(qiáng)大處理能力的通用處理平臺(tái)，從而更好地解決“強(qiáng)大計(jì)算能力”和“快速數(shù)據(jù)傳輸”兩大挑戰(zhàn)。