基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的多通道信號處理平臺

摘要：在ＶＯＩＰ和ＭｏｄｅｍＰｏｏｌ等許多新的應(yīng)用發(fā)展的今天，多通道處理技術(shù)越來越受到重視，它不僅表現(xiàn)在算法研究上，而且也表現(xiàn)在系統(tǒng)實現(xiàn)上。結(jié)合在Ｓｍａｒｔ Ｇａｔｅｗａｙ方面的工作，提出了一個基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的多通道信號處理平臺的結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述了軟硬件的組成。

關(guān)鍵詞：多通道信號處理 ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１ 處理平臺

隨著因特網(wǎng)的發(fā)展，產(chǎn)生了Ｖｏｉｃｅ Ｏｖｅｒ ＩＰ、Ｆａｘ ＯｖｅｒＩＰ和Ｍｏｄｅｍ Ｐｏｏｌ等許多新的應(yīng)用，它們都強(qiáng)調(diào)多通道的數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)意義上的多通道處理是將多路的單通道處理并行安排?，F(xiàn)在的ＤＳＰ芯片的運算速度越來越快，以時鐘為１００ＭＨｚ的ＴＭＳ３２０Ｃ５４９為例，如果用它完成Ｇ．７２９Ａ的編解碼，一片可以支持５～６路。因此，假如我們采用高速ＤＳＰ芯片來充當(dāng)信號處理的核心的話，一片高速芯片可以替代以前的幾路，使得原有的多通道處理系統(tǒng)可以大大地簡化，在硬件上的開銷減小。

１ ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的結(jié)構(gòu)和性能

由美國ＴＩ公司生產(chǎn)的ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１處理器[１]硬件資源豐富，主要由三大部分組成：ＣＰＵ、外圍設(shè)備和存儲器。

Ｃ６２０１的地址總線為３２位，所以尋址范圍達(dá)到４ＧＢ，其存儲器空間可分為四部分：片內(nèi)程序空間可以用作Ｃａｃｈｅ、片內(nèi)數(shù)據(jù)空間、外部存儲空間和內(nèi)部外圍設(shè)備空間?？赏ㄟ^對五個ＢＯＯＴＭＯＤＥ引腳的設(shè)置靈活設(shè)定各空間的地址范圍。片內(nèi)數(shù)據(jù)ＲＡＭ包括四個８Ｋ×１６的塊，這些塊交織在一起，使得ＣＰＵ可同時訪問數(shù)據(jù)ＲＡＭ的兩個不同塊而不會發(fā)生沖突，提高了數(shù)據(jù)并行讀寫的能力。對于較大的程序，片內(nèi)程序ＲＡＭ可當(dāng)做Ｃａｃｈｅ來存儲經(jīng)常使用的代碼，減少對片外訪問次數(shù)，從而提高程序運行速度。

與常見的芯片不同，Ｃ６２０１有八個功能單元，分為兩組，每組包括一個乘法器Ｍｎ和三個算術(shù)邏輯運算單元ＤｎＳｎＬｎ。它們分別進(jìn)行乘法運算、加減運算、線性和環(huán)形地址計算以及算術(shù)邏輯運算。因為輸入輸出端口相互獨立，所以８個運算單元可實現(xiàn)并行處理。每組運算單元對應(yīng)一條數(shù)據(jù)路徑，可以用作環(huán)形地址計算。

ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的外圍設(shè)備包括ＤＭＡ控制器、主機(jī)接口ＨＰＩ、中斷選擇等。ＤＭＡ控制器允許數(shù)據(jù)傳輸在ＣＰＵ操作的后臺進(jìn)行，因此Ｃ６２０１可與外部的低速設(shè)備接口而不降低ＣＰＵ的吞吐量。Ｃ６２０１的ＤＭＡ控制器有四個獨立的可編程通道，可以進(jìn)行四個不同的ＤＭＡ操作，每個通道可根據(jù)需要傳輸８位、１６位或３２位的數(shù)據(jù)。此外，還有一個輔助通道用于響應(yīng)ＨＰＩ的服務(wù)請求。主機(jī)接口使得主機(jī)設(shè)備能夠直接地訪問ＣＰＵ的存儲空間。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１可通過引腳ＢＯＯＴＭＯＤＥ４０設(shè)置多種ＢＯＯＴ方式，例如直接執(zhí)行方式，或從外部ＥＰＲＯＭ、主機(jī)等設(shè)備裝載程序。Ｃ６２０１允許１４個中斷，包括Ｒｅｓｅｔ、不可屏蔽中斷、串行口中斷、定時器中斷和外部中斷。ＣＰＵ通過監(jiān)測ＩＡＣＫ引腳判斷中斷請求，引腳ＩＮＵＭ０～ＩＮＵＭ３標(biāo)識應(yīng)該服務(wù)的中斷矢量位置。

ＴＭＳ３２０Ｃ６ｘｘ的兩個多通道帶緩存的串行口，與ＴＩ公司生產(chǎn)的其他ＤＳＰ Ｃ２ｘＣ２ｘｘＣ５ｘＣ５４ｘ相同，具有支持全雙工通信，雙緩存數(shù)據(jù)寄存器結(jié)構(gòu)支持連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)時鐘獨立等特點。除此之外，它還有支持多種數(shù)據(jù)格式８ｂｉｔ、１２ｂｉｔ、１６ｂｉｔ、２０ｂｉｔ、２４ｂｉｔ、３２ｂｉｔ的傳輸，Ａ律和μ律壓擴(kuò)，時鐘或幀同步的編程設(shè)置和極性控制，接口方便等優(yōu)點。Ｃ６２ｘｘ有兩個３２位的定時器，主要用于時鐘中斷、ＤＭＡ控制器同步、事件計數(shù)等，它可由外部或內(nèi)部提供時鐘。

２ 平臺的硬件構(gòu)成

由于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１具備很強(qiáng)的運算能力，因而我們可以以它作為運算核心建立一個基于ＰＣＩ總線的多通道信號處理的平臺，其硬件結(jié)構(gòu)如圖１所示。它包括輸入／輸出接口、并行的Ｃ６２０１芯片組、ＳＤＲＡＭ、ＰＣＩ總線控制和主機(jī)等五部分，每一片Ｃ６２０１可看作一個多通道處理子系統(tǒng)。輸入／輸出接口負(fù)責(zé)多路數(shù)據(jù)的Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ，并且有一定的復(fù)用和解復(fù)用能力；Ｃ６２０１用于信號處理和數(shù)據(jù)的接收／發(fā)送（至輸入／輸出接口）；ＳＤＲＡＭ存放接收／輸出的數(shù)據(jù)和通道上下文相關(guān)數(shù)據(jù)；ＰＣＩ總線控制主機(jī)與Ｃ６２０１芯片組的通信；主機(jī)負(fù)責(zé)獲取處理后的數(shù)據(jù)以及發(fā)送其本身采集的數(shù)據(jù)。

當(dāng)處理程序目標(biāo)代碼小時，可選用Ｂｏｏｔ方式將程序全部裝入片內(nèi)；而當(dāng)代碼太長時，可選用ｃａｃｈｅ模式，將片內(nèi)程序空間設(shè)為ｃａｃｈｅ，程序放在片外的ＳＤＲＡＭ或其它外設(shè)中。運行時程序根據(jù)ＣＰＵ需要部分裝入。在使用ｃａｃｈｅ工作方式時，ＣＰＵ的工作效率約為９０％。

輸入的數(shù)據(jù)先經(jīng)解復(fù)用，然后分別發(fā)給Ｃ６２０１。Ｃ６２０１通過ＤＭＡ通道自動接收數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)存放在ＳＤＲＡＭ中。在接收的同時ＤＭＡ也將數(shù)據(jù)輸出到輸入／輸出接口。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完畢，外部緩存ＤＭＡ產(chǎn)生一個中斷信號，通知Ｃ６２０１、Ｃ６２０１在接收到中斷信號后，更新其設(shè)置，即切換輸入數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址和輸出數(shù)據(jù)的源地址。與此同時，Ｃ６２０１也啟動信號處理模塊，對接收的數(shù)據(jù)通道逐個地進(jìn)行處理。當(dāng)然，在處理前需將該通道上下文相關(guān)數(shù)據(jù)從片外ＳＤＲＡＭ搬移進(jìn)片內(nèi)，處理完后再將其搬移出去。在處理當(dāng)前通道時，ＤＭＡ還將同時將下一通道的上下文相關(guān)數(shù)據(jù)搬移進(jìn)來。如此循環(huán)，直至所有通道都處理完畢。

ＳＤＲＡＭ存放接收和發(fā)送數(shù)據(jù)至少需要分配兩個段，一個段用于當(dāng)前外部緩存ＤＭＡ使用，一個段用于內(nèi)部搬移ＤＭＡ使用。

主機(jī)通過ＰＣＩ總線對Ｃ６２０１芯片組的ＨＰＩ進(jìn)行訪問，其訪問方式設(shè)為ＤＭＡ方式。之所以采用ＰＣＩ總線是為了保證高速的數(shù)據(jù)傳輸。作為ＰＣＩ總線和ＨＰＩ橋梁的總線控制器可以有很多選擇，以Ｓ５９３３為例，由于Ｓ５９３３與串行ＥＥＰＲＯＭ可無縫連接，所以其初始化可在上電時由ＥＥＰＲＯＭ自動載入。它有五個基址寄存器，它們可分別服務(wù)于ＰＣＩ控制器的寄存器、ＪＴＡＧ測試總線控制器、平臺的控制和狀態(tài)寄存器以及Ｃ６２０１的ＨＰＩ。ＰＣＩ總線上的數(shù)據(jù)可通過Ｓ５９３３的ｍａｉｌｂｏｘ寄存器、ＦＩＦＯ或直通數(shù)據(jù)通道等多種方式靈活地與平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，為基于主機(jī)的調(diào)試提供了良好的硬件基礎(chǔ)。

通過對整個系統(tǒng)的工作原理的描述中可以看出，在信號處理算法的運算速度得到保證后，整個系統(tǒng)的瓶頸將是Ｃ６２０１的ＤＭＡ資源。在硬件開銷允許的情況下，使用快速的外設(shè)會提高系統(tǒng)的性能。

３ 平臺的軟件設(shè)計

根據(jù)上面介紹的硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的需要設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，以下僅介紹一種可靠性較高的軟件結(jié)構(gòu)。

鑒于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的高速運算能力，所以在每塊芯片內(nèi)部均采用線性結(jié)構(gòu)，依照某種順序依次處理各通道的信號。芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)ＲＡＭ分割出兩塊空間當(dāng)作處理信號緩存，即用作ｐｉｎｇ－ｐｏｎｇ緩存，一塊用作當(dāng)前處理，一塊用于后臺數(shù)據(jù)搬移。處理后的數(shù)據(jù)可視占用ＲＡＭ的大小，適當(dāng)?shù)匕才旁谄瑑?nèi)或片外，便于ＨＰＩ訪問。

整個軟件采用中斷同步式控制，利用輸入信號所產(chǎn)生的中斷來觸發(fā)信號處理模塊的運行，中斷信號可以是一幀信號的結(jié)束（或開始）。其結(jié)構(gòu)如圖２，系統(tǒng)在進(jìn)行完初始化后，立即進(jìn)入同步信號等待。當(dāng)檢測到中斷信號后，表明一幀信號接收的結(jié)束，首先關(guān)閉中斷，隨后進(jìn)行外部存儲的ＤＭＡ通道設(shè)置的更新，切換輸入信號的緩存。然后，檢測控制內(nèi)部數(shù)據(jù)搬進(jìn)的ＤＭＡ狀態(tài)，如果搬移完成，更新ＤＭＡ設(shè)置，即切換處理信號的ｐｉｎｇ－ｐｏｎｇ緩存，通知存儲器接口控制單元開始搬移下一路信號的數(shù)據(jù)。如果當(dāng)前處理的是最后一個通道，則內(nèi)部數(shù)據(jù)搬進(jìn)ＤＭＡ設(shè)置為下一幀第一通道。接著進(jìn)行信號處理模塊，在當(dāng)前通道信號處理完成后，首先設(shè)置內(nèi)部數(shù)據(jù)搬出ＤＭＡ，將當(dāng)前通道的上下文相關(guān)數(shù)據(jù)搬移到外部存儲器中保存，然后再檢測是否所有通道處理結(jié)束。若沒有，則跳回內(nèi)部數(shù)據(jù)ＤＭＡ狀態(tài)檢測；若結(jié)束，則進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)的更新。系統(tǒng)狀態(tài)更新完成后，打開中斷，進(jìn)入中斷信號等待。

這樣的結(jié)構(gòu)看來不夠靈活，而且僅用到了一個中斷資源，似乎是大材小用了，為什么不增加ＤＳＰ對外界的響應(yīng)且一直打開中斷呢？實際上這是有一定道理的。之所以將ＨＰＩ的訪問方式設(shè)置為ＤＭＡ方式，而只使用一個外部中斷。完全是為了讓ＤＳＰ將主要時間花在信號處理上，且盡可能地減少ＤＳＰ被頻繁的數(shù)據(jù)輸入輸出打斷。其原因有四點：第一，為加快信號處理算法的速度，盡可能地對循環(huán)進(jìn)行流水線規(guī)劃，ＣＰＵ運行至下次時，由于跳轉(zhuǎn)指令的頻繁出現(xiàn)，根本無法相應(yīng)中斷；當(dāng)循環(huán)次數(shù)較大時，無法保證中斷的及時響應(yīng)。第二，如果將循環(huán)改為可中斷式的，勢必造成寄存器資源使用過大，代碼的效率也將大幅度下降。第三，匯編語言編寫的程序大多都在不同程度對ＣＰＵ的流水線時序有要求，即寄存器對流水線時序敏感。若任意時間均要響應(yīng)中斷的話，必將造成軟件產(chǎn)生不可預(yù)測的錯誤，出現(xiàn)混亂。第四，由于匯編語言編寫的程序代碼效率一般比優(yōu)化后的Ｃ語言高５０％，所以為提高運算速度，核心算法都用匯編語言編寫，一些寄存器的值都與Ｃ語言模塊中的不同[２]，如Ｂ１４（ＤＰ）、Ａ１５（ＦＰ）；而高層調(diào)用和中斷服務(wù)程序一般都用Ｃ語言編寫，如果在任意時刻響應(yīng)中斷，很容易造成Ｃ語言中斷服務(wù)程序的變量無法正確訪問，出現(xiàn)致命錯誤。綜上所述，中斷同步式結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性更強(qiáng)。

在多通道處理中還應(yīng)注意一個問題，即全局指針的重定向３。因為高層調(diào)用用Ｃ編寫，以及通道數(shù)不確定等因素，一般情況下，很難保證同一通道的上下文相關(guān)數(shù)據(jù)每次均被放在同樣的內(nèi)存位置上，因而上一幀時保存的全局指針變量的數(shù)值對當(dāng)前幀不一定適用，所以對全局指針的重定向是必要的。

以上分析了Ｃ６２０１芯片組的工作方式，而主機(jī)與它們的通信是通過ＨＰＩ對Ｃ６２０１存儲器訪問來完成的。在Ｃ６２０１片內(nèi)ＲＡＭ開出一段數(shù)據(jù)空間作為系統(tǒng)信息區(qū)，當(dāng)Ｃ６２０１完成了一次多通道處理后，便在系統(tǒng)信息區(qū)中設(shè)置幀處理結(jié)束標(biāo)志，并將處理后數(shù)據(jù)的存放地址和主機(jī)下載數(shù)據(jù)的存放地址寫入系統(tǒng)信息區(qū)的相應(yīng)位置。主機(jī)通過對各個Ｃ６２０１系統(tǒng)信息區(qū)的訪問了解其工作狀況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一塊ＤＳＰ一幀處理完成后，立即清除幀處理結(jié)束標(biāo)志，并從系統(tǒng)信息區(qū)中給出的處理后數(shù)據(jù)的存放地址讀取數(shù)據(jù)到硬盤（或其他設(shè)備）進(jìn)行存儲（或處理），而且將待處理的數(shù)據(jù)搬移至主機(jī)下載數(shù)據(jù)的存放地址，以便Ｃ６２０１下一幀處理使用。當(dāng)然，主機(jī)除了數(shù)據(jù)搬移和控制功能外，還可根據(jù)實際的運算能力和工作負(fù)荷，再增添一些功能。

４ 展望

Ｒａｄｙｓｉｓ、Ｂｌｕｅｗａｖｅ等公司基于Ｃ６０００系列的多通道處理設(shè)備采用了與上述平臺相似的結(jié)構(gòu)。以ＶＯＩＰ的網(wǎng)關(guān)為例，本地電話的語音信號先傳送到交換局，局內(nèi)的復(fù)用設(shè)備（對應(yīng)平臺的輸入／輸出接口）根據(jù)Ｃ６２０１的處理能力分配相應(yīng)的話路。Ｃ６２０１對原始語音信號進(jìn)行壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)通過主機(jī)讀取到網(wǎng)絡(luò)處理區(qū)，交給網(wǎng)絡(luò)處理設(shè)備進(jìn)行打包處理，最后以ＩＰ方式傳送到目的端。另一方面，網(wǎng)絡(luò)處理設(shè)備拆包后的壓縮碼流通過主機(jī)傳送到Ｃ６２０１控制的局部存儲區(qū)中，經(jīng)解壓后由ＤＭＡ發(fā)送至復(fù)用設(shè)備，最終由交換局送至本地電話。

除了ＶＯＩＰ的智能網(wǎng)關(guān)和Ｍｏｄｅｍ Ｐｏｏｌ外，多通道處理的概念還可以延伸至雷達(dá)處理、多路數(shù)據(jù)采集、多路圖象監(jiān)控４等更為廣泛的領(lǐng)域中。在多媒體和因特網(wǎng)技術(shù)日新月異的今天，基于相同類型信號的多通道處理可進(jìn)一步拓展為基于不同類型信號的多通道處理，因而研究多通道信號處理平臺有著很大的實際意義，它將成為新一代智能化多媒體終端的雛形。