基于EMIF接口的DSP控制系统设计

1 引言

随着信息技术的发展，数字信号处理技术成为数字化社会最重要的技术之一。由于数字信号处理器(DSP)速度快，稳定性高，功耗小，近些年来在通信、图像处理、自动控制等领域中得到了广泛的应用。其中，美国德州仪器的TMS320系列DSP占据了世界DSP 市场的主要份额，TI也因此成为了世界上最大的DSP制造商。本系统采用了TMS320C6722浮点型DSP芯片。

EMIF接口(External Memory Interface)是TMS320系列DSP上具有的一种高速接口，其设计初衷是实现DSP与不同类型的外部扩展存储器(如 SDRAM，FLASH等)之间的高速连接。在当前的一些应用中，为了更充分的应用DSP的运算能力，扩展其引脚资源，工程师们常用EMIF接口连接FPGA，再通过FPGA与多种外部设备相连。这样，FPGA成为了一个中转站，各种数字芯片的数据都可以通过FPGA传输至DSP.对于更加复杂的系统，当一块FPGA芯片的引脚资源都被用尽时，可以在DSP 的EMIF接口上连接多块FPGA芯片，再将功能各异的芯片连接至FPGA。这样，DSP芯片仅通过EMIF接口就能实现对复杂系统的控制。

2 基于EMIF接口的DSP+FPGA系统实现

2.1 系统架构

DSP芯片通过EMIF接口连接了2 片FPGA，其中EP2C8F256I8 主要负责DSP核心处理所需数据的交换，连接了FLASH 芯片，SDRAM芯片，A/D 芯片。另一块FPGA 芯片EP2C8F144I8 负责与外部通信，连接了USB 接口芯片，I2C通信芯片和CAN总线通信芯片。

TMS320C6722 型DSP的EMIF接口设计初衷是与外部扩展存储器连接，EMIF接口有两种工作方式：SDRAM工作模式与异步工作模式。SDRAM工作模式是专为 SDRAM设计的同步工作模式，EMIF接口能自动给SDRAM进行刷新;异步工作模式是与SRAM、FLASH等异步器件工作时采用的模式。

DSP与多片FPGA连接时，TMS320C6722型DSP的EMIF接口有14根地址线，与不同FPGA进行通信时，要使用不同的地址。

2.2.1 异步读操作

DSP发出对FPGA的读申请时，就会进行异步读操作。当读操作不能在外部器件的一个访问周期内完成时，EMIF就会进行多个周期的操作，直到完成整个申请。

一个EMIF读操作分为建立时间、触发时间和保持时间三部分。在建立时间开始时，EM_CS[2]片选信号拉低，同时地址线EM_A与EM_BA给出所读取数据的地址。触发时间开始时，EM_OE信号拉低，同时FPGA在EM_D信号线上传输数据，DSP将在触发时间的最后一个时钟处对数据采样。保持时间中EM_OE 信号将拉高，并在保持时间结束后，EM_CS[2]信号拉高。在整个周期中EM_WE_DQM、EM_WE、EM_RW信号始终为高电平。

2.2.2 异步写操作

DSP发出对FPGA的写申请时，就会进行异步写操作。当写操作不能在外部器件的一个访问周期内完成时，EMIF就会进行多个周期的操作，直到完成整个申请。

类似于读操作，EMIF 写操作分为建立时间、触发时间和保持时间三部分。在建立时间开始时，EM_CS[2]片选信号拉低，EM_RW信号拉低，同时地址线EM_A与EM_BA给出所读取数据的地址，数据线EM_D 给出需要写入FPGA的数据。触发时间开始时，EM_WE信号拉低，EM_WE_DMQ信号给出字节使能信号。保持时间开始时EM_WE_DMQ信号与 EM_WE信号拉高，并在保持时间结束后，EM_CS[2]信号与EM_RW信号拉高。在整个写操作周期中EM_OE信号始终为高电平。

DSP 通过配置EMIF 接口的寄存器来实现上述时序，FPGA可采用IP 核来实现EMIF协议，不同的FPGA芯片要采用不同的地址。

3 系统BOOT方法

TMS320C6722 型DSP的内部没有可写的ROM，DSP的程序必须存放在外部器件中，DSP芯片上电后必须首先从外部芯片下载程序。本款DSP可以通过SPI总线启动、通过I2C总线启动和通过EMIF接口启动。这几种Boot方式和对应的引脚配置如表1所示，在本系统中，EMIF接口除了实现通常的数据交换，还兼任带动DSP启动的功能。

系统上电后，DSP的RESET引脚要通过下拉电阻拉低，使DSP 处于复位态。FPGA芯片EP2C8F256I8上电后从FPGA 配置芯片EPCS4中下载程序启动。FPGA启动成功后将DSP芯片的SPI0SOMI引脚与SPI0CLK引脚拉低，将SPI0SIMO引脚拉高，然后再将RESET引脚拉高。这样配置是为了使DSP退出复位态时能根据上述3个引脚的电平获知DSP芯片将通过EMIF接口启动。此后，DSP芯片将从EMIF接口读取1KB数据，并将这1KB数据存放于DSP的RAM中，再执行这1KB的程序。

上述过程称为DSP的第一次启动过程。这1KB的程序是由汇编语言编写并通过CCStudio 软件编译成机器语言，存放于FPGA中(通过mif 文件编译进FPGA的程序)。该1KB程序的功能是再次调用EMIF 接口，操作FPGA，使得FPGA 通过IP 核从FLASH芯片中将其余的程序(本系统的程序约为32K)拷入DSP的RAM 中并执行这些新拷入的程序。这是DSP 的第二次启动。第一次启动是硬件启动，是TMS320C6722 型DSP已经设定好的启动方式，第二次启动是软件启动，所执行的启动程序由用户编写。

综上，本文介绍了DSP芯片通过EMIF接口连接FPGA的硬件电路与时序，根据本文介绍的方法，DSP芯片通过FPGA能控制大量外部芯片工作，仅使用DSP的EMIF接口就能实现DSP启动和控制复杂系统工作的功能，大大扩展了DSP芯片的灵活性，使其强大的运算功能得以更好的发挥。