頻譜儀多種內(nèi)核通信機(jī)制的方案設(shè)計(jì)

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　　多核體系結(jié)構(gòu)為性能提高和節(jié)能計(jì)算等領(lǐng)域開(kāi)辟了新的方向。核與核之間的連接方式、通信協(xié)調(diào)方式等都是研究重點(diǎn)。本課題的研究基于手持式頻譜分析儀系統(tǒng)平臺(tái)，該系統(tǒng)采用的是ARM、DSP、FPGA的三核架構(gòu)。各核心分別完成不同的任務(wù)，然后核心間進(jìn)行參數(shù)發(fā)送、數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。設(shè)計(jì)重點(diǎn)是解決核心間的通信問(wèn)題。

　　1 ARM與DSP、FPGA通信的硬件設(shè)計(jì)

　　手持式頻譜儀中頻信號(hào)處理板主要包括4個(gè)部分：模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD9244)、FPGA(XS3C5000)、DSP(TMS320C6412)、ARM(AT91RM9200)。ARM在手持式頻譜儀中的位置和作用如圖1所示。

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　　ARM的硬件設(shè)計(jì)參考Atmel公司提供的評(píng)估板資料。主要包括以下幾個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)：電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)模式選擇電路、JTAG接口電路、Debug串口電路、外部擴(kuò)展SDRAM電路、外部擴(kuò)展NOR Flash(AM29LV320DB)電路、與DSP通信的HPI接口電路、與FPGA通信的SPI接口電路、連接溫度傳感器的I2C接口電路、以太網(wǎng)接口電路。

　　1.1 HPI接口電路設(shè)計(jì)

　　ARM與DSP的HPI總線(xiàn)采用16位數(shù)據(jù)通信，而且HPI總線(xiàn)是數(shù)據(jù)和地址復(fù)用的。ARM使用部分地址信號(hào)線(xiàn)與DSP的HPI總線(xiàn)控制信號(hào)相連，通過(guò)地址的變換來(lái)控制HPI總線(xiàn)。ARM與DSP的硬件連接如圖2所示。其中ARM通過(guò)地址線(xiàn)A3、A2與DSP的HCNTL1、HCNTL0引腳的連接來(lái)選擇對(duì)HPI C、HPIA、HPID各寄存器進(jìn)行操作。通過(guò)A1與DSP的引腳HHWIL的連接來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)半字的選擇。通過(guò)A4與

的引腳連接來(lái)選擇讀寫(xiě)。ARM通過(guò)PB9向DSP的GP11引腳發(fā)送握手信號(hào)，DSP通過(guò)GP12引腳中斷ARM開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。

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　　1.2 SPI接口電路設(shè)計(jì)

　　SPI接口是一種串行通信接口，它由4根信號(hào)線(xiàn)組成，其中SPCK、MOSI、MISO為復(fù)用，ARM通過(guò)片選信號(hào)NPCS來(lái)選擇與不同的從器件通信。本課題中ARM通過(guò)SPI總線(xiàn)分別與中頻板FPGA、源掃板FPGA通信。ARM與FPGA的硬件連接如圖3所示。ARM為主機(jī)模式，其SPI接口的SPCK、MIS O、MOSI分別與從機(jī)FPGA的SCLK、MOSI、MISO連接。ARM共有4根片選線(xiàn)。這里采用NPCS1選擇中頻板FPGA，NPCS2選擇源掃板FPGA。

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　　2 多核間的通信機(jī)制

　　2.1 ARM與DSP的通信機(jī)制

　　ARM在Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后，會(huì)先進(jìn)行一系列的初始化，包括對(duì)HPI、SPI等通信接口的初始化以及重啟DSP，實(shí)現(xiàn)時(shí)序上的同步。ARM在初始化完成后，會(huì)向DSP發(fā)送握手信號(hào)，即通過(guò)PB9向DSP的GP11口寫(xiě)入數(shù)據(jù)，表示ARM完成初始化，可以接收DSP的發(fā)送數(shù)據(jù)。而DSP完成數(shù)據(jù)處理以后，會(huì)等待ARM的握手信號(hào)，即不斷訪(fǎng)問(wèn)GP11口是否收到數(shù)據(jù)。當(dāng)DSP收到握手信號(hào)之后，會(huì)向GP12口寫(xiě)1以中斷ARM主機(jī)的其他工作，以便ARM來(lái)讀取DSP已處理好的數(shù)據(jù)。ARM收到中斷信號(hào)以后，通過(guò)設(shè)置HCNTL0、HCNTL1對(duì)HPIC操作來(lái)清除中斷，然后寫(xiě)HPIA以告訴DSP從什么位置開(kāi)始進(jìn)行自增讀。然后DSP將數(shù)據(jù)從DMA傳送到HPID中，ARM通過(guò)讀HPID來(lái)獲得數(shù)據(jù)。由于ARM與DSP的HPI接口是16位數(shù)據(jù)傳輸，所以要軟件實(shí)現(xiàn)將兩次讀取的16位數(shù)據(jù)合并成32位，然后傳給上層應(yīng)用程序。ARM讀取完數(shù)據(jù)后，向DSP的指定地址寫(xiě)入0xffffffff，通知DSP瀆取成功，準(zhǔn)備下次數(shù)據(jù)傳輸。

　　ARM在接收到上層應(yīng)用程序下發(fā)的命令后，通過(guò)對(duì)命令的解析、計(jì)算，得到各種參數(shù).然后通過(guò)HPI下發(fā)給DSP。其流程是：首先通過(guò)HCNT L0、HCNTL1寫(xiě)HPIC寄存器，配置讀寫(xiě)模式。然后寫(xiě)了HPIA寄存器，設(shè)置寫(xiě)入DSP的物理地址。通過(guò)連續(xù)寫(xiě)HPID寄存器來(lái)發(fā)送控制參數(shù)，最后寫(xiě)入0x5555aaaa，表示發(fā)送完畢。

　　2.2 ARM與FPGA的通信機(jī)制

　　ARM集成了SPI接口，通過(guò)SPI與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SPI總線(xiàn)的“單主機(jī)多從機(jī)”模式正適合本課題中ARM同時(shí)與中頻板FPGA與源掃版FPG A的通信。ARM啟動(dòng)Linux系統(tǒng)后，先對(duì)SPI接口進(jìn)行初始化，包括對(duì)PIO控制器編程，將SPI引腳分配給外設(shè)，配置PMC(電源管理控制器)以使能SPI時(shí)鐘以及將ARM配置為主機(jī)模式。當(dāng)上層軟件下發(fā)命令后，ARM先將接收到的命令字進(jìn)行解析，解析命令得到各種參數(shù)：經(jīng)過(guò)計(jì)算后，通過(guò)SPI接口的片選NPCS來(lái)選擇中頻板FPGA或源掃板FPGA來(lái)下發(fā)參數(shù)。

　　由于中頻板FPGA和源掃板FPGA的功能各異，接收的參數(shù)也不盡相同，所以制定了不同的數(shù)據(jù)幀格式及發(fā)送規(guī)則。ARM向中頻板FPGA每幀數(shù)據(jù)傳送16位，傳輸頻率為0.36 MHz。發(fā)送順序?yàn)椋郝酚纱a1、數(shù)據(jù)幀1、路由碼2、數(shù)據(jù)幀2、結(jié)束碼。ARM向源掃板FPGA每幀數(shù)據(jù)傳送16位，傳輸頻率為0.36 MHz。發(fā)送參數(shù)前都要先發(fā)送一個(gè)存儲(chǔ)這個(gè)參數(shù)的虛擬地址，然后發(fā)送參數(shù)，順序?yàn)椋禾摂M地址1、參數(shù)1、虛擬地址2、參數(shù)2、結(jié)束碼。