基于DSP的嵌入式 FIFO 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計

嵌入式設備由于具有硬件可在線配置，實現(xiàn)靈活等特點，使得其應用越來越廣泛。尤其在基于FPGA的硬件系統(tǒng)中應用較多，目前在許多產(chǎn)品中實現(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中實現(xiàn)嵌入式設備還比較少，一般DSP都直接集成這些設備模塊，用戶選擇不同型號的DSP芯片以滿足產(chǎn)品應用要求。但對于一些較為特殊的嵌入式設備，DSP也可以實現(xiàn)該功能。

TI公司的DSP芯片C6727B，由于其片內(nèi)集成dMAX模塊，使得實現(xiàn)嵌入式FIFO成為可能。其實現(xiàn)嵌入式FIFO的本質(zhì)就是將DSP的片內(nèi)一段RAM空間設置成FIFO空間，F(xiàn)IFO和外部設備的數(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，從而提高整個系統(tǒng)性能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理的同時進行。本文以dMAX和EMIF接口的數(shù)據(jù)傳輸為例，介紹嵌入式FIFO的設計、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)設備。應用dMAX和EMIF（External Memory Interface，外部存儲器接口）可以實現(xiàn)片內(nèi)RAM、片內(nèi)和片外設備以及兩個片外設備之間的數(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)先級兩個相互獨立的模塊，各自有獨立的事件入口和事件參數(shù)表，和CPU有獨立的接口。使得dMAX可以同時處理兩個不同的事件。當訪問CPU端口時，MAX0的優(yōu)先級高，MAX1的優(yōu)先級低。dMAX能夠通過執(zhí)行先進的一維、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，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個階段，最少需要5個EMIF時鐘（建立和保持各1個時鐘，選通3個時鐘）。為了保證通信的可靠性，一般采用10個EMIF時鐘（建立3個時鐘，保持2個時鐘，選通5個時鐘）。而EMIF時鐘最快為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實現(xiàn)嵌入式FIFO數(shù)據(jù)傳輸克服異步傳輸?shù)娜秉c，其傳輸采用突發(fā)讀寫方式進行，可以連續(xù)突發(fā)讀寫8個數(shù)據(jù)，一共只需要20個時鐘，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后臺運行，這樣將大大降低整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀寫的開銷，從而可以實現(xiàn)更加復雜和可靠的算法處理。

嵌入式FIFO設計

嵌入式FIFO的設計主要就是控制FIFO的7個參數(shù)。這7個參數(shù)分別為基地址、空間大小、空標志、滿標志、錯誤標志、讀指針和寫指針。它們之間的關系如圖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設備，并被FIFO設備保護起來，使得其他設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)存空間的任何一個地址，同樣為了操作方便，一般為空間大小的邊界點。例如，8個元素的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的地址跨越多頁問題，可以提高FIFO的訪問速度。

空標志和滿標志用于表示FIFO的存儲狀態(tài)。讀指針和寫指針用于表示讀寫的當前地址。錯誤標志表示對FIFO的錯誤操作。當FIFO處于滿標志情況下仍然寫FIFO，或者FIFO處于空標志情況下仍然讀FIFO，F(xiàn)IFO都將終止當前操作，并將錯誤標志置位。

FIFO的寫操作只有一種工作方式，即每次寫一個新的數(shù)據(jù)，寫指針加1，直到寫滿。而FIFO讀操作有兩種工作方式，分別為標準操作和多階延遲（Multi-tap Delay Transfer）操作。標準操作和寫操作一樣。多階延遲操作一般用于濾波處理，當需要對輸入信號進行濾波處理時候，每次希望從FIFO讀取一段窗口的數(shù)據(jù)，進行濾波處理，數(shù)據(jù)窗口仍然只移動一個數(shù)據(jù)。在標準操作情況下，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)窗大小需要設置，如果FIFO存儲的數(shù)據(jù)個數(shù)小于數(shù)據(jù)窗，F(xiàn)IFO則終止當前操作，并給出錯誤標志。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

C6727B和其他DSP有一個較大的區(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，通過寄存器的設置將GPIO引腳配置成外部中斷引腳。本文為了實現(xiàn)FIFO的實時操作，一旦外設向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中設置成中斷引腳。此時需要將音頻串口的CONFIGMACSP0寄存器設置為0x0001，如圖3所示。此時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。

圖3 中斷功能設置框圖

從圖3中可以看出，配置好音頻串口后，一旦AXR[8]引腳有上升沿到，則McASP0激活dMAX的事件26，向CPU發(fā)送內(nèi)部中斷13。McASP的與中斷相關的寄存器配置是實現(xiàn)以上方案的重點。使用PFUNC寄存器將其配置成通用IO引腳；PDIR寄存器控制IO引腳的方向；如果是輸出引腳則由POUT引腳輸出高低電平，如果是輸入引腳，則由PDIN寄存器讀出該引腳的狀態(tài)；此外，可以使用PDCLR和PSET寄存器清除或者設置輸出引腳的狀態(tài)。

系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括McASP的初始化、dMAX的初始化、FIFO的初始化、中斷使能等。系統(tǒng)主程序只需要等待中斷進行相應的處理，主要的數(shù)據(jù)傳輸工作都是dMAX按照軟件配置自動完成，不需要CPU參與。圖4是實現(xiàn)由外設寫FIFO，DSP讀取FIFO數(shù)據(jù)的流程。圖中虛線部分表示由dMAX獨立完成的工作，實線部分表示由CPU完成的工作。兩者之間通過內(nèi)部中斷方式實現(xiàn)狀態(tài)的交流。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

為了提高FIFO的讀寫速率，一般采用突發(fā)方式進行讀寫。突發(fā)方式的讀時序如圖5所示。寫時序和讀時序類似。突發(fā)方式一次最多只能讀寫8個數(shù)據(jù)，也可以一次突發(fā)讀寫4個或者2個數(shù)據(jù)。突發(fā)讀寫時數(shù)據(jù)的建立和保持時間最少可以設置成1個時鐘周期，如圖中所示。但為了通信可靠，一般采用2個時鐘周期。突發(fā)方式最大的節(jié)省時間是連續(xù)的其他數(shù)據(jù)將不再需要建立和保持周期，而是直接進行讀寫，一般只需要兩個時鐘周期就可以完成一個數(shù)據(jù)的讀寫。最快情況下，突發(fā)讀寫8個數(shù)據(jù)只需要20個時鐘周期，讀寫速率達到53.2M×32b/s，滿足大部分設備的要求。

圖5 突發(fā)讀時序圖

總結(jié)

dMAX的特有結(jié)構(gòu)使得其可以實現(xiàn)嵌入式FIFO。本文介紹了基于C6727B的dMAX的基本結(jié)構(gòu)以及基于dMAX的嵌入式FIFO軟硬件設計，設置通用GPIO引腳作為中斷，為了加快FIFO的傳輸速率，使用突發(fā)讀寫方式進行數(shù)據(jù)傳輸。嵌入式FIFO的實現(xiàn)，使得DSP和外部設備的通信更加方便和快捷，而且不需要CPU的參與，減輕了CPU的負擔，CPU可以專注于復雜的算法處理。