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TS201在數字信號處理設計中的應用
摘要: 當前信號處理的發(fā)展趨勢是可重構、可擴展的通用信號處理系統(tǒng),。即通過靈活的軟件編程來適應處理問題的變化和算法的發(fā)展,通過簡單的硬件擴展來適應規(guī)模處理的變化,,以提高信號處理系統(tǒng)的可編程能力和升級能力。而采用具備強大處理能力的ADSP-TS201S芯片可以對大量的數據作實時處理,。TS201S可在600 MHz的內核時鐘下完成每秒48億次乘累加(MAC)運算和每秒36億次浮點運算(FLOP),具有比同類處理器高出50%~100%的處理能力,。它內部集成了24 MB的存儲器,,其片內大存儲量與高達33.6 Gb/s的內部
Abstract:
Key words :

0 引言

       當前信號處理的發(fā)展趨勢是可重構、可擴展的通用信號處理系統(tǒng),。即通過靈活的軟件編程來適應處理問題的變化和算法的發(fā)展,,通過簡單的硬件擴展來適應規(guī)模處理的變化,以提高信號處理系統(tǒng)的可編程能力和升級能力,。而采用具備強大處理能力的ADSP-TS201S芯片可以對大量的數據作實時處理,。TS201S可在600 MHz的內核時鐘下完成每秒48億次乘累加(MAC)運算和每秒36億次浮點運算(FLOP),具有比同類處理器高出50%~100%的處理能力,。它內部集成了24 MB的存儲器,,其片內大存儲量與高達33.6 Gb/s的內部帶寬是提高性能的關鍵。TS201S的外部64位數據總線和32位地址總線時鐘最高可達125 MHz,。

        本文通過GA3816,、FPGA和DSP構建了一個高速、通用,、可擴展的多功能信號處理平臺,,該信號處理平臺經過動態(tài)配置GA3816處理芯片可實現一些信號處理領域常用的運算,也可以通過對DSP,、FPGA芯片的編程來實現一些其它算法,,所以該平臺能夠廣泛的應用于信號處理等領域。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)硬件結構

        本通用信號處理平臺主要由雙TS201,、雙stratix系列FPGA和雙GA3816處理器構成,,同時使用了一些RAM、FLASH和SDRAM器件來存儲系統(tǒng)中的數據和程序,。系統(tǒng)與外部進行通信的接口主要采用CPCI總線接口,。本設計采用DSP結合FPGA的方式。這種方式最大的優(yōu)點就是結構靈活,有較強的通用性,,適合模塊化設計,,并能夠提高效率,同時,,其開發(fā)周期較短,,系統(tǒng)容易維護和擴展,所以,,這種結構目前比較流行,。圖1是該系統(tǒng)的結構框圖。





1.2 系統(tǒng)功能

        此信號處理板的體系結構可以概括為三個處理陣列,、兩條板級接口總線和一條板內總線,。三個處理陣列指的是GA3816處理陣列、DSP處理陣列和FPGA處理陣列,。兩條板級接口總線是指CP-CI總線和用戶自定義總線,。一條板內總線是指DSP總線。

        用戶自定義總線可由兩個DSP處理器的兩個鏈路口和一組由FPGA引出的備份信號線構成,,包括時鐘線,、控制線和數據線。該總線可以針對不同應用環(huán)境,,由用戶自己根據需要加以定義,。DSP和FPGA通過自定義總線與外部系統(tǒng)進行通信,而DSP通過鏈路口可以與外部系統(tǒng)實現程序加載以及數據互傳,,FPGA則通過備份信號線實現與外部系統(tǒng)的數據傳輸,。

        DSP總線主要是為DSP處理陣列提供一條內部互聯和與FPGA處理陣列互聯的通道。通過這條總線,,DSP1和DSP2可以相互共享存儲空間,,并且二者可通過此總線共享板上的FLASH存儲器和SDRAM,并分別將二者作為自己的程序存儲器和內存擴展,。系統(tǒng)復位后,,DSP通過FLASH進行程序加載。 

       目前,,PCI總線接口的設計有兩種方法,,一種是利用專用的PCI接口芯片來設計。另一種是利用FPGA可編程器件進行設計,。由于用FPGA比較復雜,,開發(fā)難度較大。為此,,本系統(tǒng)將PCI控制器軟核嵌入到FPGA中,,從而控制本板對外的CPCI總線,。本板則通過CPCI總線或自定義總線接收待處理的數據,并在FPGA巾對將待處理數據分配給GA3816處理通道和DSP處理通道,。當這兩個處理通道的處理結果反送到FPGA后,,義在FP-GA中進行數據交換或者通過CPCI總線作為本板級處理器的輸出。此外,,兩片FPGA中也有大量的硬件資源,,可以針對不同應用場合,通過固件編程使其成為專用處理器,,或組成FPGA處理陣列,。而兩個FPGA器件之間的64位雙向信號線則可以使兩個FPGA器件之間的數據傳輸更為方便和快捷。

        系統(tǒng)中的兩個RAM器件可分別直接和兩個FPGA器件進行通信,,并可通過FPGA分別作為兩個GA3816處理陣列的片外存儲器,,也可作為板上的程序或者數據緩存。因為對于一般的運算來說,,GA3816的處理速度要高于TS201的處理速度(對于1024點的復數FFT運算來說,,GA3816的速度為12.8μs,而主頻為300 MHz的TS201則為32.78μs),,所以在系統(tǒng)所需實現的功能中,,如果GA3816芯片可以實現就直接用它來實現(如FFT,、FIR等),,GA3816不能實現的功能則可根據需要在TS201和FPGA中編程實現。在FPGA中對GA3816芯片進行配置可以實現GA3816的不同處理功能以及運算模式,,從而滿足不同應用場合中GA3816芯片的不同數據處理功能,。

1.3 時鐘模塊

        ADSP TS201S的系統(tǒng)輸入時鐘SCLK同時也是TS201S的外部接口時鐘,為與外部器件兼容,,SCLK不應取得太高,。一般可取內核時fCCLK為fSCLK與SCLKRAT的積,P-BUS的工作時鐘fSOCCLK為fCCLK/2,,鏈路口時鐘fLxCLK為fCCLK/CR(CR為LCTLxREGlSTER的設置值),,若SPD位設置為100,則取fLxCLK=fCCLK/4,。這樣,,將時鐘信號再經過時鐘驅動后分別送入兩個FPGA,再由FPGA的鎖相環(huán)進行倍頻或者分頻就可得到DSP,、SDRAM,、GA3816和RAM所需要的時鐘信號。

        GA3816和RAM的時鐘信號可由FPGA直接提供,,DSP和SDRAM的時鐘信號則由FPGA提供的時鐘通過一個時鐘驅動器來供給,。設計時應盡可能的使時鐘線等長的到達器件,,這樣可以減少時鐘偏移,從而使DSP和SDRAM之間能夠更好的通信,。因為時鐘信號是非常敏感的信號,,所以要盡量的減少反射和串擾。在時鐘信號線上串接適當的匹配電阻可以有效的減少反射,,而減少串擾則需要在時鐘走線周圍留出額外的空間,,或者把時鐘線單獨放在兩個地平面層中間的一層,這樣可以使時鐘的信號完整性得到有效的改善,。

1.4 電源模塊

        stratix和GA3816的核電源電壓分別為1.5 V和1.8 V,,3.3 V為I/O電源,ADSP-TS201S的三種電源如表1所列,。本設計中所需的四種電壓都是從外部輸入的5 V電源轉換而成的,,轉換芯片選用TI公司的TPS54350器件。





       由于電源層無法單獨消除線路噪音,,所以通常需要借助旁路電容來進行濾波,。一般情況下,將1~10μF電容放置在電路板的電源輸入端可濾除板外產生的低頻信號,;而將0.01~0.1μF電容放置在電路板的每個有源器件的電源引腳和接地引腳上,,則可濾除電路板上有源器件產生的高頻率的噪聲諧波。但是,,任何一種電容的濾波頻率范圍都是有限的,,所以通常采用大小電容并聯的方式來擴展其有效的濾波頻率范圍。

1.5 復位模塊

        ADSP TS201S的復位信號較ADSP TS101S更簡單,,它可以采用較簡單的上電復位方式,,即要求電源正常后保持RST_IN為低2 ms以上,并在RST_IN有效之前使SCLK運行2 ms,。上電復位相對于正常復位來說要復雜一些,。在FPGA中實現TS201的復位和時序控制,可使TS201正常工作,。圖2為TS201上電復位穩(wěn)定后的仿真波形,。圖中,sclk為8 MHz時鐘(由TS201的SCLK時鐘分頻得到),,rst為正常復位信號,,power為上電復位信號,enable為復位后系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出信號,,reset為TS200的復位輸出信號,。

2 調試結果


        圖3為調試過程中通過邏輯分析儀采集到的TS201向FPGA內部雙口RAM寫數據時的波形圖,采用雙口RAM是由于雷達信號總是以幀的方式進行處理,,在處理第一幀的數據時,,輸出前一幀的數據,,這樣的數據訪問方式可避免發(fā)生沖突。為了能夠正確的讀寫雙口RAM,,這里的DSP訪問雙口RAM采用的是慢速協(xié)議,,即當內部RAM的片選信號和TS201的寫信號都為低時,將TS201內部的數據正確的寫入到FPGA的內部雙口RAM里,。由于測試針的數目有限,,所以,圖中只顯示了TS201的低8位地址線和低9位數據線,,而RAM則只顯示了低8位的數據線,。




3 結束語

        本文介紹了基于TS201的高速信號處理系統(tǒng)的硬件設計以及實現方法,著重考慮了系統(tǒng)的高速,、實時和通用性,,同時充分發(fā)揮了GA3816處理器的優(yōu)勢。由于結合了DSP和FPGA的強大可編程和處理能力,,因此,,該信號處理系統(tǒng)能夠廣泛的應用于語音及圖像處理、通信,、雷達,、導航、電子對抗等信號處理領域,。

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