0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)在軍用和民用市場都得到了廣泛的應(yīng)用，同時日趨復(fù)雜的信號處理需求也對處理平臺提出了更高的要求，特別是在無線通信、人工智能、航空航天等高科技領(lǐng)域信號處理實時性高，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)交互及處理算法復(fù)雜度高，依靠單個處理器的傳統(tǒng)解決方案已經(jīng)無法滿足這些需求，高度集成的多處理器嵌入式系統(tǒng)逐步成為高速信號處理平臺的主流方案，基于“DSP+FPGA”的協(xié)同處理架構(gòu)憑借其超強的處理能力和廣泛的工程化應(yīng)用優(yōu)勢，已經(jīng)成為通用信號處理平臺的首選。采用“DSP+FPGA”的信號處理系統(tǒng)顯著提升了運算速度和數(shù)據(jù)處理能力，但同時不可避免地引入了處理器之間的數(shù)據(jù)交換問題，隨著交互頻率和數(shù)據(jù)量的急劇增加，對芯片間的高速數(shù)據(jù)傳輸要求越來越高，傳統(tǒng)的共享總線已無法滿足高性能嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互需求，成為了處理平臺性能進一步提升的瓶頸。因此，需要高性能互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)來解決嵌入式處理器之間的數(shù)據(jù)交互問題，高速串行Rapid IO總線正是基于該需求設(shè)計的新型高性能互連總線技術(shù)，該總線以其高帶寬、低延時、低功耗及高可靠性等優(yōu)勢為嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部互連提供了良好的解決方案。本文設(shè)計一種基于SRIO總線的DSP與FPGA通信互連架構(gòu)，其中多核DSP TMS320C6678的SRIO接口模塊采用4x接口模式配置，每路接口傳輸速率為3.125 Gb/s，理論傳輸速率達到10 Gb/s，同時使用DSP片上DDR3控制器模塊擴展2 GB高速緩存進行數(shù)據(jù)讀寫，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)高速傳輸及共享存儲。

1 Rapid IO協(xié)議架構(gòu)介紹

Rapid IO體系架構(gòu)是為了滿足高性能嵌入式系統(tǒng)互連需求而設(shè)計的一種系統(tǒng)級互連技術(shù)，它支持芯片間以及板間的互連與通信，廣泛應(yīng)用于多處理器、多存儲器及通用信號處理平臺等的交互連接。Rapid IO的數(shù)據(jù)傳輸操作基于數(shù)據(jù)包的請求與響應(yīng)，數(shù)據(jù)包是點對點通信設(shè)備的消息載體，通信過程首先由主控器件發(fā)出一個請求事務(wù)，并將該請求事務(wù)以包的形式傳輸給目標(biāo)器件，目標(biāo)器件收到請求事務(wù)后執(zhí)行相應(yīng)操作并產(chǎn)生響應(yīng)事務(wù)返回給通信的發(fā)起方，發(fā)起方接收到響應(yīng)包后一次通信操作完成。Rapid IO互連體系結(jié)構(gòu)共分為三層，分別為邏輯層、傳輸層和物理層。邏輯層為協(xié)議最高層，定義了全部操作協(xié)議和包格式，為端點器件發(fā)起和完成事務(wù)提供必要的信息；傳輸層處于協(xié)議中間層，定義了Rapid IO的地址空間、尋址機制和用于包交換的路由信息；物理層處于協(xié)議最底層，主要定義電氣特性、包傳輸機制、流量控制及低級錯誤管理等器件級接口細(xì)節(jié)，Rapid IO協(xié)議層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 基于SRIO的互連系統(tǒng)設(shè)計

2.1 TMS320C6678的SRIO模塊特性

TMS320C6678 DSP外圍接口豐富，片內(nèi)集成了基于1x/4x LP-Serial規(guī)范的串行Rapid IO外設(shè)接口模塊，即SRIO。該模塊支持4通道的Rapid IO高速傳輸，也可配置成1x、2x和4x等多種接口模式，單個通道的傳輸速度最大可達5 Gb/s，在實際工程化應(yīng)用中也可靈活配置到1.25 Gb/s、2.5 Gb/s和3.125 Gb/s使用。

基于Rapid IO的高速傳輸操作協(xié)議由邏輯層定義，SRIO接口邏輯層支持I/O邏輯操作（Direct I/O）和消息傳遞（Message Passing）兩種數(shù)據(jù)傳輸機制，其中I/O邏輯操作包含NREAD、NWRITE、NWRITE_R、SWRITE、Atomic和MAINTENANCE共6種基本I/O操作，消息傳遞主要包括DOORBELL和MESSAGE兩種，具體如表1所示。

直接I/O模式是最簡單實用的傳輸方式，主設(shè)備可以直接讀寫從設(shè)備的存儲器，可通過多種請求和響應(yīng)事務(wù)直接完成對應(yīng)存儲空間的數(shù)據(jù)讀寫，其中SWRITE事務(wù)是高效的傳輸格式，接口實現(xiàn)簡單，通信開銷小，適用于點對點的大數(shù)據(jù)直接傳輸；消息傳遞模式使用信箱和信件的方式傳遞信息，類似以太網(wǎng)的傳輸方式，接收方根據(jù)內(nèi)部地址與信箱的映射關(guān)系對數(shù)據(jù)進行讀寫，適用于包含多個處理器的復(fù)雜系統(tǒng)間通信。消息傳遞機制中包含有一種特殊的輕量級消息傳遞事務(wù)類型，即門鈴消息（Doorbell），門鈴消息數(shù)據(jù)包僅可填充一個16位大小的數(shù)據(jù)負(fù)載，適用于發(fā)送SRIO通信的中斷信息，接收方將收到的門鈴事務(wù)放到門鈴消息隊列中，通過解析門鈴信息進行相應(yīng)的響應(yīng)操作。

2.2 傳輸系統(tǒng)互聯(lián)設(shè)計

本文設(shè)計的DSP與FPGA通信系統(tǒng)基于圖2所示的高速串行Rapid IO接口進行互聯(lián)設(shè)計。在FPGA端選用Xilinx公司的Kintex7系列芯片，F(xiàn)PGA對外接口接收雷達回波數(shù)據(jù)或者光學(xué)相機采集的圖像數(shù)據(jù)，然后通過4路SRIO高速接口將數(shù)據(jù)實時傳輸給DSP芯片，F(xiàn)PGA的SRIO接口采用開發(fā)平臺提供的IP核進行設(shè)計實現(xiàn)。DSP端芯片選用TI公司的TMS320C6678高性能多核浮點型處理器，該芯片采用全新的Keystone架構(gòu)和C66x內(nèi)核，其內(nèi)部有8個速度達到1.25 GHz的高性能定點/浮點CPU內(nèi)核，每個內(nèi)核的單周期定點性能高達32MAC，浮點性能高達16FLOP，單個CorePac內(nèi)核中配置了32 KB一級程序存儲器（L1P）、32 KB一級數(shù)據(jù)存儲器（L1D）以及512 KB二級局部存儲器（L2），高性能的計算能力和高速緩存能力有效地支撐了復(fù)雜圖像處理算法的工程化應(yīng)用需求。同時6678處理器內(nèi)部集成了DDR3控制器模塊，帶有64 bit位寬的DDR3存儲器接口總線，最高速率可達1 600 MTS，可供尋址的空間達到了8 GB，本系統(tǒng)外掛了4片256×64 bit的DDR3 SDRAM，總?cè)萘窟_到2 GB，完全滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩存需求，DSP處理器可以通過EDMA的方式直接對DDR3存儲器進行讀寫訪問，減少了通過內(nèi)核CPU讀寫大數(shù)據(jù)的資源占用，有效提升系統(tǒng)并行運算效能。

3 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 SRIO接口驅(qū)動設(shè)計

根據(jù)上文的互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計，為了實現(xiàn)接口通信功能需進行接口軟件設(shè)計，DSP端的SRIO外設(shè)模塊驅(qū)動編程主要有以下幾個方面：

（1）通信設(shè)備ID設(shè)置

SRIO模塊支持8位和16位兩種模式ID設(shè)置，8位的ID可容納256個單獨設(shè)備，16位ID可容納65 536個單獨設(shè)備，通信雙方需采用相同設(shè)置模式，但要設(shè)置為不同的ID號，本系統(tǒng)采用8位ID模式設(shè)置，DSP和FPGA ID號設(shè)置如下：

#define SRIO_DSP_BASE_ID （0x00）

#define SRIO_FPGA_BASE_ID （0xFF）

（2）SRIO工作模式配置

SRIO模塊可配置成1x、2x和4x等多種端口模式使用，可通過路徑控制寄存器PLM_SP（n）_PATH_CTL的PATH_CONFIG和PATH_MODE作用域進行編程配置。本系統(tǒng)采用4x模式配置，單通道速率配置為3.125 Gb/s，具體配置程序如下：

CSL_SRIO_Enable3_125GBaud（hSrio， 0）;

CSL_FINS（hSrio-》RIO_PLM［0］.RIO_PLM_SP_PATH_CTL，SRIO_RIO_PLM_SP_PATH_CTL_PATH_CONFIGURATION， 4）;

CSL_FINS（hSrio-》RIO_PLM［0］.RIO_PLM_SP_PATH_CTL， SRIO_RIO_PLM_SP_PATH_CTL_PATH_MODE， 4）;

（3）SerDes模塊配置

SRIO接口通過SerDes（Serialize Deserialize）模塊接收和發(fā)送高速串行差分信號，該模塊由TX、RX、PLL、S2P（serial-to-parallel）、P2S（parallel-to-serial）及時鐘恢復(fù)等部分組成，初始化配置主要對PLL模塊的SRIO_SERDES_CFGPLL寄存器的MPY域賦值0x00010100，表示PLL倍頻5倍，并對ENPLL位賦值1使能PLL； 對SRIO_SERDES_CFGTX［0-3］和SRIO_SERDES_CFGRX［0-3］寄存器的RATE位賦值0x01，表示每個時鐘周期采樣兩位數(shù)據(jù)，結(jié)合時鐘倍頻配置可以計算出傳輸速率rate=clk*MPY*RATE=312.5MHz*5*2bit=3.125 Gb/s，即得到需要的速率，配置功能函數(shù)如下：

CSL_BootCfgSetSRIOSERDESConfigPLL（cfgPll）;

for（index = 0; index 《 4; index++）

{

CSL_BootCfgSetSRIOSERDESRxConfig（index， cfgRx）;

CSL_BootCfgSetSRIOSERDESTxConfig（index， cfgTx）;

}

（4）LSU模塊配置

SRIO的Direct I/O和Message Passing兩種傳輸機制使用不同的傳輸控制模塊，其中控制Direct I/O模式包發(fā)送的為LSU（Load/Store Unit）模塊，系統(tǒng)中一共有8個LSU，每個LSU都有獨立的7個寄存器，即LSU_Reg0--LSU_Reg6，Reg0--Reg4用來配置傳輸控制信息，REG5、REG6用來存儲命令和狀態(tài)信息，Reg6有只讀和只寫兩種模式，其他寄存器都是可讀可寫的，LSU寄存器組定義如圖3所示。

由圖3可見LSU的Reg0~4中主要配置了Direct I/O傳輸?shù)目刂菩畔?，如源地址、目的地址、?shù)據(jù)長度、設(shè)備ID、端口號、優(yōu)先級等；Reg5寄存器配置門鈴信息和包格式等命令信息；Reg6在只讀模式下通過Busy和Full位信息確認(rèn)指令寄存器和影寄存器是否空閑，該兩位信息都為0時表示當(dāng)前LSU可用， LTID位和LCB位信息一起用于確認(rèn)傳輸?shù)耐瓿尚畔ⅲ╟ompletion code）。

LSU寄存器配置可使用CSL庫文件中的API函數(shù)CSL_SRIO_SetLSURegx（）對每一個寄存器單獨賦值編程，也可通過編輯結(jié)構(gòu)體SRIO_LSU_TRANSFER變量對ByteCount、DestID、deviceID、TType、FType、Drbll_Info等關(guān)鍵成員變量進行賦值，然后通過API函數(shù)CSL_SRIO_SetLSUTransfer（）完成整個傳輸?shù)呐渲煤蛦印?/p>

3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的DSP與FPGA通信系統(tǒng)通信節(jié)點較少，傳輸數(shù)據(jù)量大，屬于點對點的高速數(shù)據(jù)傳輸，所以SRIO接口采用Direct I/O傳輸方式和Doorbell消息相結(jié)合的方案進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)包格式采用Direct I/O方式的SWRITE流寫操作，傳輸方案實現(xiàn)簡單，同時通信發(fā)起方在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后發(fā)送Doorbell消息通知接收方傳輸完成，接收方收到Doorbell消息后進行相應(yīng)處理，保證通信過程的實時性和正確性。具體軟件流程如圖4所示。

系統(tǒng)上電啟動后，軟件對DSP系統(tǒng)中時鐘、定時器、存儲器、中斷等必要設(shè)備進行初始化，在SRIO模塊初始化過程中需等待DSP與FPGA的SRIO接口連接成功才表示初始成功，然后便可以進行自定義的數(shù)據(jù)傳輸操作了。根據(jù)TMS320C6678 DSP存儲空間配置，本系統(tǒng)中DDR3緩存地址區(qū)域為0x80000000—0xFFFFFFFF，大小為2 GB，SRIO接口可直接對存儲空間進行讀寫訪問。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計FPGA每發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，都將附帶發(fā)送一個Doorbell消息作為完成標(biāo)記，Doorbell的16 bit信息位填充內(nèi)容為0x0001，表示使用DOORBELL0_ICRR寄存器的ICR1映射中斷事件，系統(tǒng)中設(shè)置CPU中斷4作為響應(yīng)Doorbell事件的CPU中斷，DSP收到Doorbell消息后將觸發(fā)CPUINT4，程序跳轉(zhuǎn)執(zhí)行中斷響應(yīng)函數(shù)，在中斷響應(yīng)函數(shù)中查詢中斷狀態(tài)位，對接收數(shù)據(jù)包的正確性進行判斷，然后通過EDMA模塊將數(shù)據(jù)快速搬移到DDR3指定地址鎖存，并調(diào)用算法對數(shù)據(jù)進行處理。當(dāng)DSP需要向FPGA端回復(fù)應(yīng)答信息時，DSP程序通過配置LSU寄存器組向FPGA存儲地址發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)LSU的Reg0~Reg5配置完成后傳輸開始，程序軟件通過查詢LSU傳輸完成信息與Reg6中記錄的LCB位信息進行比較，判斷當(dāng)前傳輸是否成功。

4 測試與驗證

針對上文所設(shè)計的SRIO互聯(lián)系統(tǒng)進行性能測試，系統(tǒng)設(shè)計單通道傳輸速度為3.125 Gb/s，物理層SerDes模塊采用8B/10B編碼，所以4通道的SRIO接口理論傳輸速度為3.125×4×8/10=10 Gb/s。實際測試過程中采用多組長度不同的數(shù)據(jù)進行測試，每組測試數(shù)據(jù)多次運行取平均值，測試結(jié)果如表2所示。

測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的DSP與FPGA互聯(lián)系統(tǒng)能夠按照設(shè)計需求穩(wěn)定工作，數(shù)據(jù)讀寫正確，傳輸速度較為穩(wěn)定，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時通信開銷占總傳輸時間比例減小，整體傳輸速度超過8 Gb/s，達到理論值10 Gb/s的80%以上，傳輸效率較為理想。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)基于TI多核DSP TMS320C6678的SRIO接口模塊建立DSP與FPGA之間的高速通信互聯(lián)系統(tǒng)，采用SRIO模塊4x接口模式及每路接口3.125 Gb/s的傳輸速率實現(xiàn)DSP與FPGA間高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，同時使用DSP自帶DDR3控制器模塊實現(xiàn)對DSP外部擴展DDR3 SDRAM存儲芯片的讀寫訪問，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸及共享存儲。該系統(tǒng)已經(jīng)在大視場高分辨率光學(xué)圖像處理、實時SAR雷達成像等多個工程項目中得到應(yīng)用驗證。

參考文獻

［1］ Texas Instruments.TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor［Z］.2014.

［2］ Texas Instruments.KeyStone Architecture Serial Rapid IO（SRIO） User Guide［Z］.2012.

［3］ Texas Instruments.KeyStone Architecture DDR3 Memory Controller User Guide［Z］.2011.

［4］ Texas Instruments.TMS320C66x DSP CorePac User Guide［Z］.2013.

［5］ 王勇，林粵偉，吳冰冰，等.RapidIO嵌入式系統(tǒng)互連［M］。北京：電子工業(yè)出版社，2006.