頻譜儀多種內(nèi)核通信機制的方案設計

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　　多核體系結(jié)構(gòu)為性能提高和節(jié)能計算等領域開辟了新的方向。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。本課題的研究基于手持式頻譜分析儀系統(tǒng)平臺，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，然后核心間進行參數(shù)發(fā)送、數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。設計重點是解決核心間的通信問題。

　　1 ARM與DSP、FPGA通信的硬件設計

　　手持式頻譜儀中頻信號處理板主要包括4個部分：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的硬件設計參考Atmel公司提供的評估板資料。主要包括以下幾個單元電路的設計：電源電路、時鐘電路、復位電路、啟動模式選擇電路、JTAG接口電路、Debug串口電路、外部擴展SDRAM電路、外部擴展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接口電路設計

　　ARM與DSP的HPI總線采用16位數(shù)據(jù)通信，而且HPI總線是數(shù)據(jù)和地址復用的。ARM使用部分地址信號線與DSP的HPI總線控制信號相連，通過地址的變換來控制HPI總線。ARM與DSP的硬件連接如圖2所示。其中ARM通過地址線A3、A2與DSP的HCNTL1、HCNTL0引腳的連接來選擇對HPI C、HPIA、HPID各寄存器進行操作。通過A1與DSP的引腳HHWIL的連接來進行讀寫時半字的選擇。通過A4與

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

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　　1.2 SPI接口電路設計

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

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　　2 多核間的通信機制

　　2.1 ARM與DSP的通信機制

　　ARM在Linux系統(tǒng)啟動后，會先進行一系列的初始化，包括對HPI、SPI等通信接口的初始化以及重啟DSP，實現(xiàn)時序上的同步。ARM在初始化完成后，會向DSP發(fā)送握手信號，即通過PB9向DSP的GP11口寫入數(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，會等待ARM的握手信號，即不斷訪問GP11口是否收到數(shù)據(jù)。當DSP收到握手信號之后，會向GP12口寫1以中斷ARM主機的其他工作，以便ARM來讀取DSP已處理好的數(shù)據(jù)。ARM收到中斷信號以后，通過設置HCNTL0、HCNTL1對HPIC操作來清除中斷，然后寫HPIA以告訴DSP從什么位置開始進行自增讀。然后DSP將數(shù)據(jù)從DMA傳送到HPID中，ARM通過讀HPID來獲得數(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，然后傳給上層應用程序。ARM讀取完數(shù)據(jù)后，向DSP的指定地址寫入0xffffffff，通知DSP瀆取成功，準備下次數(shù)據(jù)傳輸。

　　ARM在接收到上層應用程序下發(fā)的命令后，通過對命令的解析、計算，得到各種參數(shù).然后通過HPI下發(fā)給DSP。其流程是：首先通過HCNT L0、HCNTL1寫HPIC寄存器，配置讀寫模式。然后寫了HPIA寄存器，設置寫入DSP的物理地址。通過連續(xù)寫HPID寄存器來發(fā)送控制參數(shù)，最后寫入0x5555aaaa，表示發(fā)送完畢。

　　2.2 ARM與FPGA的通信機制

　　ARM集成了SPI接口，通過SPI與FPGA進行數(shù)據(jù)通信。SPI總線的“單主機多從機”模式正適合本課題中ARM同時與中頻板FPGA與源掃版FPG A的通信。ARM啟動Linux系統(tǒng)后，先對SPI接口進行初始化，包括對PIO控制器編程，將SPI引腳分配給外設，配置PMC(電源管理控制器)以使能SPI時鐘以及將ARM配置為主機模式。當上層軟件下發(fā)命令后，ARM先將接收到的命令字進行解析，解析命令得到各種參數(shù)：經(jīng)過計算后，通過SPI接口的片選NPCS來選擇中頻板FPGA或源掃板FPGA來下發(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)送順序為：路由碼1、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)送一個存儲這個參數(shù)的虛擬地址，然后發(fā)送參數(shù)，順序為：虛擬地址1、參數(shù)1、虛擬地址2、參數(shù)2、結(jié)束碼。