基于PCI总线数字信号处理机的硬件设计
基于pci总线数字信号处理机的硬件设计
以intel公司为主推出的pci总线规范。采用pci总线设备所具有的配置空间以及pci总线通过桥接电路与cpu相连的技术使pci总线具有广泛的适应性，同时能满足高速设备的要求。
另一方面，dsp的发展也异常迅速。adi公司于2001年发布了其高性能tigersharc系列dsp的新成员，采用这样系列的芯片，可研制出处理能力更强，体积更小，开发成本更低，性价比更高的信号处理机。并广泛地应用于信号处理、通信、语音、图像和军事等各个领域。
ts101s介绍
本系统采用美国adi公司的高性能tigersharc101s作为主处理器，简称ts101s。adspts101s处理支持32bit和64bit浮点，以及8、16、32和64bit定点处理。它的静态超量结构使dsp每周期能执行多达4条指令，进行24个16bit定点运算和6个浮点运算。其内部有三条相互独立的128bit宽度和内部数据总线，每条连接三个2mbit内部存储块中的一个，提供4字的数据、指令及i/o访问和14.4gbyte/s的内部存储带宽。以300mhz时钟运行时，其内核指令周期为3.3ns。在发挥其单指令多数据特点后，adspts101s可以提供每秒24亿次40bitmac运算或6亿次80bitmac运算。以300mhz时钟运行时，完成1024点复数fft(基2)时间仅32.78us。1024点输入50抽头fir需91.67us。
adspts101s有强大的链路口传输功能，每个链路口传输速度已达到250mbyte/s。总的链路数据率达1gbyte/s(4个链路口)，已经超过了外部口的传输速率(800mbyte/s)。
信号处理机的硬件结构
系统结构主要包括a/d转换、数据存储、逻辑控制，时钟分配和数据传输五大模块。以dsp为核心处理单元的信号处理机是以pci插卡的形式直接插入计算机的pci总线插槽中。信号处理机通过pci接口芯片与pci总线连接，其功能是实现pc机与信号处理机之间数据传输和存储。其系统结构图如图1：
图1系统结构图
其中a/d转换器采用ad公司16位高精度a/d芯片ad976ars，它是采用电荷重分布技术的逐次逼近型模数转换器，器结构比传统逼近型adc简单，且不再需要完整的模数转换器作为核心。ad976ars具有以下特点：
*它是16位的高精度a/d，可以做到16位不失码。 *带有高速并行接口。 *转换速度为200ksps。 *可选内部或外部的2.5v参考电源。 *带有片上时钟。 可直接接运放ad8033输出，其中ad8033是低功耗、高精度的运放，这里接成跟随器模式。转换时钟由cpld给出(r/c)信号，cpld转接dsp1的tmr0e，并倒相后形成r/c信号，这样，数据采集的周期由dsp的定时器控制，可以实现周期可调的。又将ad976aars的busy信号引入到cpld，用于锁存a/d转换数据。运放与a/d的电路结构如图2：
系统采用1片cpld(emp3256)作a/d转换输入数据锁存、产生dsp所需的复位信号等。同时，cpld还要完成pci桥的一些控制信号的生成、转接。实际上也就是作为pci局部总线的仲裁器，它对pci接口芯片和dsp提出的占用局部总线的请求进行仲裁，协调它们之间的逻辑关系，使局部总线上的操作顺利进行。系统还采用了两片16k×16位的双口ramidt70v261来构成dsp信号处理机与pci的接口，其中ram1作数据输入，ram2作数据输出。
pci桥采用pci9054完成，pci9054是plxtechnology公司的较新产品，是一低成本，低功耗，功能较强的pci桥芯片，可以连接pc机的pci总线和局部总线，是先进的pcii/o加速器，采用了先进的plx数据流水线结构技术，是32位、33mhz的pci总线主i/o加速器;符合pci本地总线规范2.2版，有m、c、j三种模式;针对不同的处理器及局总线特性可选，尽量减少中间逻辑;具有可选的串行e2prom接口，本地总线时钟可和pci时钟异步。pc9054内部有6种可编程的fifo，以实现零等待突发传输及本地总线和pci总线之间的异步操作;支持主模式、从模式、dma传输方式，因其强大的功能可应用于适配卡和嵌入式系统中。但由于dsp没有提供直接与pci9054接口的引脚，故采用双口ram作数据缓冲，其优点是不必改造pci产生信号以适应dsp的要求。时序配置上较为容易。同时，分开设置的输出输入通道，也方便了用户的应用。
dsp1与eprom,双口ram，及cpld连接如图3：
双口ram采用idt70261，它是由美国idt公司生产的高速16kx16带有中断的双端口sram。它采用100—pmtqfp封装，典型功耗为750mw，最大存取时间有两个等级：商业级有15/20/25/35/55ns(max),工业级有20/25/35/55ns(max)。它具有如下特点： (1)有两套完全独立的控制线，地址线和i/o线，允许两个独立的系统同时对双端口存储器进行访问。
(2)具有完全独立的忙逻辑，可以保证两个系统对同一单元进行读写操作的正确性。 (3)中断逻辑允许cpu通过端口直接进行通信，标识器逻辑允许两个控制器共享资源。
(4)允许数据高速存取，最快存取时间为15ns,可与大多数高速处理器配合使用，无需插入等待状态。
(5)具有master/slaver控制脚，在存储容量和数据位宽上能方便地扩展。
(6)各端口完全异步操作。
双口ram作dsp3(ts101s)输出暂存，故与dsp3的wrl相连。dsp3与双口ram的连接如图4：
本系统采用dsp片之间以链路口互连方式，每对dsp间保留2个链路通道，总数据速率可达500mbyte/s。采用链路口互连可以大大简化pcb板的复杂度。链路口互连是adsp系列芯片的特有功能，也是adsp处理器能以低成本组成多片高性能信号处理机的主要因素。dsp间的连接如图5：
结束语
本系统用于从外部采集信号，经数字信号处理机上的dsp芯片做信号处理，然后实现与pc机实时传输及数据存储，因此可对信号处理结果进行实时更新，从而实现数字信号处理机与相应设备间的高速数据传输。本系统还可应用于高速数据采集卡、视频处理卡、网卡等高速设备中。其中tigersharc系列芯片以其强大的运算能力从而大大的降低了开发成本，同时信号处理机的研制周期也可大为缩短，更容易的研制出性价比更高的信号处理机。而pci9054以其强大的功能和简单的用户接口，为pci总线接口的开发提供了一种简洁的方法，本系统经过测试，高速数据能够正确采集和传输。在高速数据传输系统中，利用pci总线的高速特性实时传输和存储采集数据，有效解决了数据的传输和处理的实时性，随着pci总线的普及应用，基于pci总线的传输系统设计有十分广阔的前景。
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