基于PCI的高速DSP应用系统设计

摘 要： 结合S5933和TMS320C6000 DSP设计了高速图像处理硬件平台，可适应和满足利用PC机进行高速数据采集与处理设备的技术发展趋势和应用需求。
关键词： 前端数据采集；TMS320C6000系列DSP；PCI总线专用芯片；实时高速数字图像处理

　当前，在计算机、多媒体、数据通信和网络技术的发展、应用和融合中，人们对计算机视频应用的要求越来越高，这使得实时、高速、便捷、智能化、大容量的高性能数字图像处理设备成为未来视频设备的发展方向，这必然要求产生与之相适应的新理论、新方法和新算法。为了在利用和实现这些新技术的过程中验证其可行性，突破高速DSP硬件设备的技术应用瓶颈，本文提出了一种基于PCI总线和TI公司C6000系列高端DSP芯片的高速数字图像处理平台设计方案，从硬件和软件上解决了通过AMCC公司的S5933 PCI总线接口芯片，由CLPD作桥，实现与功能强大的 TMS320C6416 HPI主机接口的高速通信，为做进一步实时音视频压缩、图像检测、视觉定位、高速处理等算法研究提供了完整的实践平台。
1 系统硬件结构
　TMS320C6000系列DSP是基于TMS320C6000平台的32 bit浮点DSP处理器。它包含两个子系列：用于定点计算的TMS320C62x系列和用于浮点计算的TMS320C67x系列。TMS320C6000系列时钟频率最高可达到250 MHz。该系列DSP包含两个通用的寄存器组A和B，每组有16个32 bit的寄存器。芯片内含8个运算功能单元：两个乘法器（M1和M2），6个算术逻辑单元（L1、L2、S1、S2、D1及D2），所有单元都能独立并行操纵。以TM320C6701为例，其工作频率最高为167 MHz，最快速度可达8×167=1 336 MIPS。
基于S5933的高速TMS320C6000 DSP图像处理硬件平台设计系统框图如图１所示。整个系统由前端数据采集、DSP和PCI总线专用芯片组成。

　DSP芯片采用TI公司高性能数字信号处理器TMS320C6416，芯片采用哈佛结构、流水线操作、专用硬件乘法器、快速DSP指令。主频可高达600 MHz~1 GHz，片内的RAM采用两级高速缓存结构，程序和数据拥有独立的缓存空间。片内提供多种集成外设；多通道的EMDA控制器、多信道带缓冲能力的串口McBSP、32 bit通用计数器和I2C总线主/从模式接口等。
　TMS320C6416的两个独立的外部数据总线接口EMIFA（64 bit）和EMIFB（32 bit）具有很高的数据吞吐率（最高能达到1 200 Mb/s），而且可以与目前几乎所有类型的存储器直接连接，完成数字图像处理数据的大容量高速存储。
　前端采用两路ADI公司的14 bit数/模转换器AD6645（80/105 MSPS）通过SMA射频端子进行高速数据采样，其具有很高的无杂散动态范围和过采样性能，可以降低系统对前端射频元器件的要求，从而降低系统的复杂性和生产成本。数据经FPGA进行一定缓冲，或是进行FFT、滤波、去噪，再由64 bit的EMIFA接口发送到DSP进行编解码处理、MPEG4压缩等。最终，压缩编码后的视频数据流可通过RS422将数据同步输出或是由PCI总线发送给主机端保存或进行进一步验证。
　该平台DSP片外提供大容量高速存储器空间。用ISSI公司的SBSRAM（128 KB×32 bit）和HYNIX的SDRAM（4 MB×16 bit），外置4 MB的Flash，为预处理或是处理后的图像数据提供可靠、充裕的暂存空间。SBSRAM和SDRAM均可由EMIFB进行无缝连接，为硬件的实现带来了很大的便利。
　PCI部分采用目前较常用的AMCC公司S5933接口芯片，它是一种功能强且使用灵活的PCI总线控制器专用芯片。该芯片符合PCI局部总线规范2.1版本，既可作为PCI总线目标设备，实现基本的传送要求，也可作为PCI总线主控设备，访问其他PCI总线设备。S5933的峰值传送速率为132 Mb/s（32 bit PCI数据总线）。
S5933外部提供了３个物理总线：PCI总线接口、外加总线接口（Add_On Bus）和可选的NVRAM接口。用户可根据需要设计S5933与外加总线接口相连接的逻辑电路和配置空间的初始化，而不必考虑PCI总线规范的众多协议，从而将复杂的PCI总线接口关系转化为简单的8 bit／16 bit／32 bit外加总线接口关系。
S5933硬件结构及外部连接图如图2所示。主机端通过32 bit PCI总线与S5933进行数据传输，再由CPLD做内部状态机，负责DSP端HPI（Host-Port Interface）接口的时序控制，使DSP与主机端进行16 bit/32 bit的数据交互。

　主机接口HPI是TI高性能DSP上配置的与主机进行通信的片内外设。通过HPI接口，主机可以非常方便地访问DSP的所有地址空间，从而实现对DSP的控制。例如，TMS320C6421的HPI接口是一个16 bit宽的并行端口。主机（Host）对CPU地址空间的访问是通过EDMA控制器实现的。HPI接口的访问主要通过HPI控制寄存器（HPIC）、HPI地址寄存器（HPIA）和HPI数据寄存器（HPID）三个专用寄存器来实现。
另一方面，CPLD挂载在EMIFB上，进行DSP端存储器映射，从而使DSP可以通过Add_On Bus接口实现对S5933内部FIFO或Mailbox的控制，达到与主机端进行命令或状态信息的通信。
2 系统软件实现