基于FPGA實現(xiàn)DSP與RapidIO網(wǎng)絡互聯(lián)

　　隨著通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量日益增大，過去總線形式的體系結構逐漸成為約束處理能力進一步提升的瓶頸。本文首先簡單介紹了嵌入式設計中總線結構的演化過程，從而引出新一代點對點串行交換結構RapidIO。

　　在密集型實時信號處理應用中，DSP 由于其本身結構特點具有不可替代的位置。但是遺憾的是目前很多DSP不具有RapidIO 接口，而且也沒有ASIC 能夠為這些DSP提供RapidIO接口。為了在RapidIO 網(wǎng)絡中充分利用DSP 數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，我們采用FPGA 做一個轉接橋邏輯，將DSP 的總線連接到一個RapidIO 的IP 核，從而實現(xiàn)DSP 和RapidIO 網(wǎng)絡的互聯(lián)。

　?。玻?總線結構概述

　　2.1 總線結構的演化

　　高速通信和超快速計算的需求日益增大，使得多處理器以及各種外部設備協(xié)同工作才能滿足實時快速的要求。傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，這些處理器、處理器簇、外設之間的數(shù)據(jù)交互是基于并行的共享總線方式進行。從單分段總線到級聯(lián)的多分段總線，這些基于共享總線的體系結構中，所有的設備通訊競爭帶寬，這樣交互數(shù)據(jù)成為了整體系統(tǒng)性能的瓶頸。不僅如此，并行總線所需要的大量IO 引腳也給系統(tǒng)的電器性能和機械性能帶來相當?shù)目简?。因此，提高系統(tǒng)性能就迫切需要一種新的體系結構。

　　目前新型的體系結構是基于點對點串行交換結構的體系。相比傳統(tǒng)的并行共享總線結構，串行交換結構中的兩個端點交互數(shù)據(jù)不影響其他端點之間的數(shù)據(jù)交互，從而大大提高了系統(tǒng)帶寬，除此之外，串行交換結構所需要的引腳也大大減少了，而且串行結構采用的差分線連接也提高了信號傳輸?shù)木嚯x和可靠性。當前流行的串行交換結構主要有PCI-Express，InfiniBand，RapidIO 等。這些總線結構的應用范圍既有交叉有各有側重。

　　2.2 RapidIO 交換結構

　　RapidIO 互連架構，它的設計與最流行的集成通信處理器、主機處理器以及網(wǎng)絡數(shù)字信號處理器相兼容，是高性能包交換互連技術。它滿足了高性能嵌入式系統(tǒng)行業(yè)對內部系統(tǒng)互連的需求，包括可靠性、高帶寬和更快的總線速率。相比PCI、PCI-X、PCIE 和Infiniband來說，RapidIO 主要特性是具有極低的延遲性和高帶寬，并很容易實現(xiàn)和PCI、PCI-X、PCIE、FPDP、以太網(wǎng)等的橋接，適合用于芯片與芯片、板與板、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

　?。常?系統(tǒng)設計

　　3.1 工程背景

　　多片 DSP 形成處理器簇，共同完成快速實時的運算已經(jīng)成為現(xiàn)代信號處理機一種流行的方式。但是目前大多數(shù)DSP 都不具備RapidIO 接口，所以我們采用FPGA，將DSP 的總線與一個RapidIO IP 核總線相連接，實現(xiàn)DSP 與RapidIO 網(wǎng)絡的通信。

　　3.2 芯片選型

　　我們選用 Analog 的TigerShark101（以下簡稱TS101） DSP， ADSP-TS101S 是TigerSHARC 處理器系列中的首款器件。FPGA 選用Altera 的Stratix II GX 60 芯片。

　　Altera 的RapidIO 的IP 核兼容于2005 年2 月發(fā)布的RapidIO 互連標準1.3，實現(xiàn)了3種標準速度1.25G、2.5G、3.125G 下1x/4x 的物理層協(xié)議。同時，Altera 公司的SOPC 工具提供了大量的成熟的IP 核和可裁剪的Avalon 總線，方便的幫助用戶實現(xiàn)模塊化設計。

　　3.3 系統(tǒng)結構

　　將 TS101 的總線橋接到FPGA 的Avalon 總線上。其中，DSP 芯片是用來做大量的數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA 是DSP 和RapidIO 之間通訊的橋梁。FPGA 內的RapidIO 接口有成熟的IP 核，將DSP 和RapidIO 的IP 核連接的關鍵在于實現(xiàn)DSP 外部總線到IP 核Avalon 總線的轉換。

　　TS101 內部有一個寄存器SYSCON，用來控制外部端口、主機接口、多處理器接口的數(shù)據(jù)位寬、插入的等待周期、流水線深度等設置。由于這個寄存器在上電后只能修改一次，這里我們將外部端口配置位32 位的慢速協(xié)議，完成RapidIO 的維護，門鈴等事務；將主機接口配置位64 位的流水線協(xié)議，完成高速的IO 事務。通過轉接橋邏輯的轉換。

　?。矗?轉接橋設計

　　4.1 轉接橋總體結構

　　轉接橋邏輯為 TS101 總線接口與Avalon 總線接口轉換器，由四個模塊及輔助電路構成。

　　4.2 總線模式控制電路

　　總線模式控制電路完成根據(jù)系統(tǒng)請求情況切換 TS101 總線端地址、數(shù)據(jù)以及相應的控制信號的輸入輸出方向、功能及狀態(tài)。其中需要控制的部分包括：數(shù)據(jù)總線的輸入輸出方向連接及模式控制，地址總線的輸入輸出方向連接及模式控制，TS101 的讀控制信號的輸入輸出方向連接及模式控制，TS101 的寫控制信號的輸入輸出方向連接及模式控制，TS101 的ACK 信號的輸入輸出方向連接及模式控制。另外，該模塊中還完成一些控制信號的連接。

　　4.3 Host Master 模塊

　　Host_Master 模塊完成在系統(tǒng)工作于TS101 側控制模式時對Avalon 總線進行讀寫的總線時鐘切換和相關部分工作時的控制。它大致可分為四部分完成：