总线系统与DSP硬件接口设计

1 引言

    从1982年世界上诞生了首枚DSP芯片后，经过20多年的发展，现在的DSP属于第五代DSP器件。其系统集成度更高，已将DSP芯核及外围器件综合集成到单一芯片上，DSP逐渐成为数字信号处理器的代名词。同时，数字信号处理技术在理论和算法上也取得了突破性进展，他本身也形成了比较完善的理论体系，包括数据采集、离散信号与离散系统分析、信号估计、信号建模、信号处理算法等内容。DSP技术已在航空航天、遥测遥感、生物医学、自动控制、振动工程、通讯雷达、水文科学等许多领域有着十分广泛的应用。通过数据采集系统将原始数据传送到DSP，DSP完成算法的处理是工程上的一种应用模式,数据的传送可以通过各种计算机总线来实现。

    PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，PC104与普通PC总线控制系统的主要区别是:

    (1)小尺寸结构。

    (2)堆栈式连接。

    (3)轻松总线驱动。

    PC104有2个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT相对应。PC104 PLUS则与PCI总线相对应。本文主要涉及的是PC104与DSP的16位数据通信接口设计，采用了CYPRESS公司的双端口静态读写存储器CY7C028V15AC作为共享存储器，双端口RAM右侧接ADI公司的DSP芯片T S101，左侧接PC104总线，控制逻辑用ALTERA公司ACEX系列CPLD中的EP1K100TC208来实现。

2 双端口RAM访问模式

    CY7C028V15AC是16 b×64 k的双端口RAM，支持高速的访问，访问速度为20 ns，支持左右2个端口完全异步访问。2个端口的选通信号有效，则双端口RAM两侧可以同时对双端口RAM进行读写操作。需要解决的是当同时访问到一个存贮块时的冲突问题。有2种方法可以解决访问冲突：一种是信号令牌传递方式，双端口RAM内部提供了8个Semaphore锁存单元，可以在逻辑上把双端口RAM划分为8个区段;当某个端口要访问某个区块时，首先向相应的锁存单元请求令牌，以确定访问是否会产生冲突，即向某一个锁存单元写“0”，然后读回所写数据，如果成功，则对应于该锁存单元的块是空闲的，可以访问，否则就不能访问。当一侧正在访问双端口RAM的某一块，则相应的锁存单元对另一侧是不能访问的。申请令牌通过读写I/O的方式实现，实际用到的是双端口RAM左右两侧数据总线的D0位，地址总线的A2~A0位(其译码对应于8个锁存单元)，以及左右两侧对锁存单元访问的使能控制端SEML和SEMR。另一种方式是中断方式。在中断方式下，RAM最高的两个地址作为通讯邮箱，FFFEH分配给右端口，FFFFH分配给左端口。两个邮箱的使用方法一致。以右端口为例，当DSP向FFFEH地址写任意一个值时，左端口的中断请求信号INTL有效，当响应完中断请求后，PC104总线读一次FFFEH地址就可以INTL清除中断。

    本文中采用中断方式设计PC104与DSP的握手信号。考虑到用CPLD来设计数字逻辑的灵活性和可重复编程，用CPLD来控制中断请求与响应信号，所以RAM最高端的两个地址仍作为普通的R AM单元使用。双端口RAM左右端口的连接如图1所示。

 
图1  双端口RAM左右端口连接图

    当DSP向PC104请求数据,TS101的标志位FLAG0通过CPLD的缓冲连接到PC104的其中一条中断信号引脚，当PC104收到中断请求向RAM写完数据，通过写I/O口的方式，由CPLD产生回复信号到TS101的IRQ0，TS101在适当的时间读取数据并进行算法处理。当TS101向PC104发送数据，则先向RAM中写数据，写完后由标志位FLAG1产生读数据请求信号，通过CPLD缓冲连接到PC10 4的另一条中断信号引脚，PC104响应中断读完数据，通过写I/O口的方式由CPLD产生回复信号到TS101的IRQ1。当PC104访问双端口RAM时。数据总线的16位通过CPLD缓冲连接到RAM左端口的I/O15L~I/O0L，因为16位的数据访问占用的是偶地址，所以地址总线的A16~A1在CPLD缓冲后连接到RAM的左端口的A15L~A0L地址线。PC104其余的地址线通过在CPLD里的译码产生RAM左端口的选通信号。当TS101访问RAM，TS101的前16根地址线连接到RAM的A15R~A0R,前16根数据线连接到RAM右端口的I/O15R~I/O0R,用产生选通信号，通过TS 101的编程实现，访问RAM的有效地址由用户定义。

3 PC104与CPLD的连接关系

    通过CPLD，PC104要实现对双端口RAM的访问，首先要考虑的是分配给RAM的存储地址，因为64 k×16 b的RAM需要64 k的偶地址空间，或者说128 k的连续地址空间，工控机1 M以内可由用户使用的自由地址空间往往达不到128 k。所以应将RAM安排在1 M地址空间以外访问。此时除了用到用于1 M寻址的地址线SA19~SA0，还要采用1 M外寻址的地址线LA23~LA17。需要注意的是，PC104的总线上的SA19~SA17与LA19~LA17是重复的。区别在于SA10~SA0是通过总线地址锁存使能信号BALE锁存输出，而LA19~LA17未经锁存，为保证在对RAM访问期内地址信号一直有效，至少应在CPLD内将LA23~LA20进行BALE锁存。本文中将RAM的地址安排在1 M地址空间外从100000 H开始的64 K偶地址。所有需要用到的PC104信号线都连接到CPLD，CPLD将SA16~SA1缓冲连接到RAM，其余地址线译码产生RAM左端口选通信号。PC104与CPLD连接的访问逻辑如图2所示。

 
图2  PC104与CPLD链接访问逻辑图

    其中有效表示数据总线的高8位有效，SA0有效表示数据总线的低8位有效，作为译码信号的一部分，对于单片16位数据线的集成电路，实际上也可以不连接，用SA0和高端地址线译码产生选片信号。AEN信号有效表示计算机在和某个设备进行DMA传送，其他的设备发现AEN信号有效，就不要响应寻址信号。因此在CPLD内部逻辑里设置当AEN信号有效时，将进入CPLD的地址信号线置为高阻态。

    是存储器读写信号，是用于1 M以外地址空间的读写信号，当这两个信号之一有效且寻址到1 M内的地址，将分别使1 M以内地址的读写

    一起控制总线周期的长短。有3种存储器访问周期：标准周期，就绪周期，无等待状态周期。访问时序如图3所示。

 
图3  3种访问周期的访问时序图

    在设计的时候考虑到信号在CPLD里的延时，如果标准周期对于访问的时间长度不够，可以采 用有1个等待状态的就绪周期，而这只需要修改CPLD的设计并重新下载到CPLD即可，由此可 见用CPLD作为控制芯片的优点。

4 结语

    本文说明的这种PC104总线与DSP的数据通讯接口设计，也可以作为采用其他计算机总线与DS P进行16位数据通讯接口设计的参考。