基于dMAX和EMIF接口的嵌入式FIFO的設(shè)計(jì)、配置及其使用

嵌入式設(shè)備由于具有硬件可在線配置，實(shí)現(xiàn)靈活等特點(diǎn)，使得其應(yīng)用越來越廣泛。尤其在基于FPGA的硬件系統(tǒng)中應(yīng)用較多，目前在許多產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)口、嵌入式PCI/PCI-E、嵌入式USB等各種模塊。但在DSP中實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備還比較少，一般DSP都直接集成這些設(shè)備模塊，用戶選擇不同型號的DSP芯片以滿足產(chǎn)品應(yīng)用要求。但對于一些較為特殊的嵌入式設(shè)備，DSP也可以實(shí)現(xiàn)該功能。
　　TI公司的DSP芯片C6727B，由于其片內(nèi)集成dMAX模塊，使得實(shí)現(xiàn)嵌入式FIFO成為可能。其實(shí)現(xiàn)嵌入式FIFO的本質(zhì)就是將DSP的片內(nèi)一段RAM空間設(shè)置成FIFO空間，F(xiàn)IFO和外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換由EMIF接口完成。該FIFO的數(shù)據(jù)讀寫不需要DSP的CPU參與，從而提高整個(gè)系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理的同時(shí)進(jìn)行。本文以dMAX和EMIF接口的數(shù)據(jù)傳輸為例，介紹嵌入式FIFO的設(shè)計(jì)、配置及其使用。
　　dMAX及其結(jié)構(gòu)
　　dMAX（Dual Data Movement Accelerator，雙向數(shù)據(jù)傳輸加速器）是TI公司的DSP芯片C6727B特有的一種片內(nèi)設(shè)備。應(yīng)用dMAX和EMIF（External Memory Interface，外部存儲器接口）可以實(shí)現(xiàn)片內(nèi)RAM、片內(nèi)和片外設(shè)備以及兩個(gè)片外設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。dMAX模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　圖1 dMAX內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
　　從圖中可以看出，dMAX主要由事件和中斷處理模塊、事件編碼器、傳輸事件模塊等組成。事件模塊分成高優(yōu)先級和低優(yōu)先級兩個(gè)相互獨(dú)立的模塊，各自有獨(dú)立的事件入口和事件參數(shù)表，和CPU有獨(dú)立的接口。使得dMAX可以同時(shí)處理兩個(gè)不同的事件。當(dāng)訪問CPU端口時(shí)，MAX0的優(yōu)先級高，MAX1的優(yōu)先級低。dMAX能夠通過執(zhí)行先進(jìn)的一維、二維與三維數(shù)據(jù)的存儲器傳輸工作，從而使DSP得以專注于信號處理任務(wù)，顯著提高系統(tǒng)性能。適合圖像的子幀提取或者語音信號的子信道提取。
　　DSP內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換中心在dMAX的控制下，可以實(shí)現(xiàn)片內(nèi)RAM、EMIF以及HPI接口之間的數(shù)據(jù)交換。本文介紹在dMAX控制下，實(shí)現(xiàn)片內(nèi)RAM和EMIF接口之間的數(shù)據(jù)交換。如果DSP采用普通的異步接口方式，數(shù)據(jù)傳輸需要建立、選通和保持3個(gè)階段，最少需要5個(gè)EMIF時(shí)鐘（建立和保持各1個(gè)時(shí)鐘，選通3個(gè)時(shí)鐘）。為了保證通信的可靠性，一般采用10個(gè)EMIF時(shí)鐘（建立3個(gè)時(shí)鐘，保持2個(gè)時(shí)鐘，選通5個(gè)時(shí)鐘）。而EMIF時(shí)鐘最快為133MHz；這樣，采用異步接口的通信速率一般為13.3M×32b/s（采用32位數(shù)據(jù)總線寬度）。此外，異步接口數(shù)據(jù)傳輸必須在CPU的參與下，使用指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)搬移。將占用大量的CPU開銷，在很多高速的數(shù)據(jù)采集和處理中，將降低系統(tǒng)的整體性能。為此，采用dMAX實(shí)現(xiàn)嵌入式FIFO數(shù)據(jù)傳輸克服異步傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，其傳輸采用突發(fā)讀寫方式進(jìn)行，可以連續(xù)突發(fā)讀寫8個(gè)數(shù)據(jù)，一共只需要20個(gè)時(shí)鐘，通信速率提高為53.2M×32b/s，提高4倍讀寫速率。還可以采用和DMA后臺運(yùn)行，這樣將大大降低整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀寫的開銷，從而可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜和可靠的算法處理。
　　嵌入式FIFO設(shè)計(jì)
　　嵌入式FIFO的設(shè)計(jì)主要就是控制FIFO的7個(gè)參數(shù)。這7個(gè)參數(shù)分別為基地址、空間大小、空標(biāo)志、滿標(biāo)志、錯(cuò)誤標(biāo)志、讀指針和寫指針。它們之間的關(guān)系如圖2所示。
　　
　　圖2 FIFO結(jié)構(gòu)示意圖
　　基地址和空間大小用于規(guī)劃出一段內(nèi)存空間，該內(nèi)存空間用于FIFO設(shè)備，并被FIFO設(shè)備保護(hù)起來，使得其他設(shè)備和程序不能訪問該空間。為了便于操作方便，空間大小一般為2的整數(shù)次冪，但不做要求。具體到C6727B型號的DSP，空間大小最大為1M個(gè)元素，元素大小可以是8位、16位或者32位數(shù)據(jù)，不能為其他類型的數(shù)據(jù)?；刂房梢詾閮?nèi)存空間的任何一個(gè)地址，同樣為了操作方便，一般為空間大小的邊界點(diǎn)。例如，8個(gè)元素的FIFO，其基地址一般為XXXXX000b，也就是地址的低3位為0，基地址就肯定為8的整數(shù)次。同樣，64個(gè)元素的FIFO，其低6位為0?；刂泛涂臻g大小的特殊要求避免訪問時(shí)的地址跨越多頁問題，可以提高FIFO的訪問速度。
　　空標(biāo)志和滿標(biāo)志用于表示FIFO的存儲狀態(tài)。讀指針和寫指針用于表示讀寫的當(dāng)前地址。錯(cuò)誤標(biāo)志表示對FIFO的錯(cuò)誤操作。當(dāng)FIFO處于滿標(biāo)志情況下仍然寫FIFO，或者FIFO處于空標(biāo)志情況下仍然讀FIFO，F(xiàn)IFO都將終止當(dāng)前操作，并將錯(cuò)誤標(biāo)志置位。
　　FIFO的寫操作只有一種工作方式，即每次寫一個(gè)新的數(shù)據(jù)，寫指針加1，直到寫滿。而FIFO讀操作有兩種工作方式，分別為標(biāo)準(zhǔn)操作和多階延遲（Multi-tap Delay Transfer）操作。標(biāo)準(zhǔn)操作和寫操作一樣。多階延遲操作一般用于濾波處理，當(dāng)需要對輸入信號進(jìn)行濾波處理時(shí)候，每次希望從FIFO讀取一段窗口的數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波處理，數(shù)據(jù)窗口仍然只移動一個(gè)數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)操作情況下，如果讀取一段窗口的數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO則將該段窗口的數(shù)據(jù)全部彈出。多階延遲操作則只彈出一個(gè)數(shù)據(jù)。該操作方法對語音或者AD采樣數(shù)據(jù)的平滑、FIR等濾波非常適用。需要注意的是，多階延遲操作的數(shù)據(jù)窗大小需要設(shè)置，如果FIFO存儲的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)小于數(shù)據(jù)窗，F(xiàn)IFO則終止當(dāng)前操作，并給出錯(cuò)誤標(biāo)志。
　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　C6727B和其他DSP有一個(gè)較大的區(qū)別，就是C6727B不再提供專門的外部中斷引腳，而是采用GPIO引腳和dMAX配合使用，通過寄存器的設(shè)置將GPIO引腳配置成外部中斷引腳。本文為了實(shí)現(xiàn)FIFO的實(shí)時(shí)操作，一旦外設(shè)向FIFO寫入數(shù)據(jù)，即發(fā)出中斷信號到DSP的CPU，通知CPU讀取數(shù)據(jù)。為此，需要使用1個(gè)外部中斷引腳，將C6727B的音頻串口的AXR［8］配置成通用的GPIO引腳，并在dMAX中設(shè)置成中斷引腳。此時(shí)需要將音頻串口的CONFIGMACSP0寄存器設(shè)置為0x0001，如圖3所示。此時(shí)音頻串口不能再作為普通的音頻口使用，而是配置成IO接口。