摘 要：本文介紹了基于PCI總線的DSP嵌入式多媒體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，著重討論了系統(tǒng)中DSP系統(tǒng)板的硬件結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)要地闡述了該系統(tǒng)的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：PCI總線 DSP 多媒體 嵌入式系統(tǒng) 1 引言 　　從1991年Intel公司首先提出PCI總線的概念，這種高性能的總線經(jīng)過十多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種非常成熟的總線結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于包括聲卡、網(wǎng)卡和顯卡等高速外圍設(shè)備。它以33MHz的時(shí)鐘頻率操作，在32bit數(shù)據(jù)總線下，以峰值傳輸速率132MB/s進(jìn)行工作，1999年發(fā)布的PCI規(guī)范2.2版，支持66MHz主頻和64bit數(shù)據(jù)通路，峰值傳輸速率可達(dá)528MB/s，適用于語音、圖形、圖像的處理和其它各類高速外設(shè)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩1][5]。 　　另一方面，DSP的發(fā)展也異常迅速。TI公司繼1982年推出其第一個(gè)定點(diǎn)DSP-TMS32010芯片系列產(chǎn)品以后，相繼推出了共六代定點(diǎn)DSP芯片系列[2]，片上資源越來越豐富，處理能力提高了幾十倍，處理速度也從最初的5MIPS到現(xiàn)在的超過100MIPS,并廣泛地應(yīng)用于信號(hào)處理、通信、語音、圖像和軍事等各個(gè)領(lǐng)域。 　　對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，其核心是具有數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)管理能力的嵌入式微處理器，這種微處理器要對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力。因此充分發(fā)揮DSP器件在數(shù)據(jù)處理和速度方面的優(yōu)勢(shì)，組成嵌入式系統(tǒng)，可以改善嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作特性[4]。而以PCI總線作為系統(tǒng)的整體組織結(jié)構(gòu)，可以解決數(shù)據(jù)傳輸中的瓶頸問題，提高數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與PC機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似，如圖1所示，由一塊底板和多塊PCI插卡組成。它與PC機(jī)系統(tǒng)的不同之處在于它的處理器不是直接插于主板之上，而是以PCI插卡的系統(tǒng)板的形式出現(xiàn)。 　　系統(tǒng)中網(wǎng)卡選用10M/100M兼容的PCI網(wǎng)卡，多個(gè)嵌入式系統(tǒng)通過共享集線器和百兆交換機(jī)，組成百兆局域網(wǎng)。聲卡用于語音數(shù)據(jù)的采集，并播放從網(wǎng)絡(luò)上傳輸來的聲音數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)上傳來的動(dòng)態(tài)圖像壓縮數(shù)據(jù)經(jīng)過DSP系統(tǒng)板的解壓縮處理，通過PCI總線傳輸?shù)斤@卡，顯卡接顯示器，用于動(dòng)態(tài)圖像顯示。 　　系統(tǒng)底板的作用不僅僅是作為系統(tǒng)的支撐托架，而且為各PCI設(shè)備提供33MHz的PCI同步時(shí)鐘。由于PCI總線是同步總線，在PCI總線上的所有操作都要與PCI時(shí)鐘信號(hào)同步，因此底板上 提供的33MHz的PCI時(shí)鐘信號(hào)要為所有的PCI總線交易包括總線仲裁提供時(shí)序。但晶振的驅(qū)動(dòng)能力有限，需加時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　底板的另一個(gè)重要功能是提供PCI總線仲裁器，仲裁器響應(yīng)各多媒體設(shè)備提出的總線使用申請(qǐng)，并協(xié)調(diào)各設(shè)備在總線上的操作，而不至于產(chǎn)生總線沖突和和過長(zhǎng)的總線延時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)PCI總線傳輸?shù)母咚俣萚5]。PCI總線仲裁器可由一片CPLD實(shí)現(xiàn)。此外底板上還要提供一些控制信號(hào)的上拉電阻，用于防止控制總線在沒有設(shè)備驅(qū)動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生過量電流。 3 DSP系統(tǒng)板硬件結(jié)構(gòu) 　　作為整個(gè)DSP嵌入式系統(tǒng)的核心處理單元的系統(tǒng)板，也是以PCI插卡的形式存在于系統(tǒng)之中。系統(tǒng)板通過PCI接口芯片掛接于PCI總線上，其功能是控制各多媒體設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)。 　　其中，PCI接口芯片使用PCI9054，它具有的功能[6]： 　　● 支持PCI規(guī)范2.2版本; 　　● 具有主設(shè)備功能,支持局部總線處理器訪問PCI總線上其它設(shè)備; 　　● 局部總線模式可編程（M、C、J模式），局部總線時(shí)鐘頻率最高可達(dá)50MHz;局部總線與PCI總線之間的傳輸速率最高可達(dá)132MB/s; 　　● 具有6個(gè)零等待狀態(tài)的FIFO可用于突發(fā)傳輸; 　　● 雙路獨(dú)立的具有可編程FIFO的分散/聚集DMA通道; 　　● 具有可編程PCI中斷和局部總線中斷輸出。 　　PCI9054用于連接DSP與PCI總線，它工作在32位數(shù)據(jù)、32位地址的非數(shù)據(jù)地址復(fù)用的C模式下，控制著DSP與PCI總線上的其它設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。這些傳輸方式有PCI起始方式、PCI目標(biāo)方式和DMA方式。 　　PCI起始方式允許PCI9054執(zhí)行PCI總線上的存儲(chǔ)器操作周期、I/O操作周期和配置周期，允許局部總線的處理器訪問接口芯片內(nèi)部的寄存器，并通過接口芯片訪問總線上的其它設(shè)備。 　　PCI目標(biāo)方式可以允許PCI總線上的其它主設(shè)備訪問PCI9054的局部總線。這種方式下，接口芯片是作為PCI總線的目標(biāo)設(shè)備和局部總線的主設(shè)備。 　　PCI9054還有兩路DMA通道，通道1可以在命令模式、塊模式和分散聚集模式下工作，通道2可以在塊模式和分散聚集模式下工作，分散聚集DMA控制器允許以最少的軟件量完成PCI總線和局部總線之間多通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Ч芾怼? 　　DSP可以選用TI公司的16位定點(diǎn)DSP TMS320VC5409，這種DSP芯片具有如下主要特點(diǎn)[8]： 　　● 最快可達(dá)到10ns定點(diǎn)單周期執(zhí)行時(shí)間（100MIPS）; 　　● 高級(jí)多總線接口，具有3個(gè)獨(dú)立的16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和1個(gè)程序存儲(chǔ)器總線; 　　● 擴(kuò)展地址模式下，可以達(dá)到8M＊16bit的最大外部程序?qū)ぶ房臻g; 　　● 具有16k＊16bit的片上ROM和32k＊16bit的片上DARAM，二者都可以通過寄存器和芯片管腳配置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器; 　　● 片上有16位數(shù)據(jù)地址總線的增強(qiáng)型8位主機(jī)接口（HPI16）; 　　● 6通道DMA控制器。 　　DSP系統(tǒng)板的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示： [align=center] 圖2 DSP系統(tǒng)板結(jié)構(gòu)[/align] 　　PCI9054與DSP的16位主機(jī)接口（HPI16）相連接[7]，DSP的16位主機(jī)接口能夠使主機(jī)（本系統(tǒng)中指PCI9054）通過DMA總線訪問全部DSP片上RAM，這樣PCI總線上的其它設(shè)備可以通過PCI目標(biāo)方式訪問DSP內(nèi)部的RAM空間。PCI9054和DSP之間能夠傳輸非復(fù)用的16位地址和數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中雙方都能產(chǎn)生中斷信號(hào)。 　　主機(jī)通過三個(gè)HPI寄存器訪問DSP芯片內(nèi)32k的DARAM，當(dāng)主機(jī)要讀取DSP某地址DARAM的數(shù)據(jù)時(shí)，向HPI地址寄存器（HPIA）寫入此地址，然后讀出HPI數(shù)據(jù)寄存器（HPID）的內(nèi)容即可。主機(jī)寫DSP片上空間時(shí)，也先寫地址于HPIA中，再將數(shù)據(jù)寫入HPID即可完成。HPIC為HPI控制寄存器，用于存儲(chǔ)HPI的控制位和狀態(tài)位[3][8]。 　　圖2中串行E2PROM用于初始化PCI9054內(nèi)部的配置寄存器，系統(tǒng)上電之后，PCI9054讀取E2PROM，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫進(jìn)配置寄存器，完成初始化。 　　高速SRAM用于DSP脫機(jī)運(yùn)行時(shí)作為高速程序存儲(chǔ)器，這樣才能發(fā)揮出DSP高速的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槿绻鸇SP的程存速度較慢，導(dǎo)致DSP在取指令時(shí)需要加等待狀態(tài)，限制了DSP指令執(zhí)行的速度。FLASH程存也用于存儲(chǔ)DSP的程序，它與高速SRAM的作用不同之處在于FLASH是在DSP程序運(yùn)行之前暫存程序代碼的，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)所選的DSP的程序存儲(chǔ)器只有內(nèi)部掩膜ROM，雖然內(nèi)部RAM可以做程序存儲(chǔ)器，但也只有32k字，因此需要用DSP內(nèi)掩膜ROM中帶的引導(dǎo)程序（BOOTLOADER）將用戶引導(dǎo)程序通過DSP通用串口轉(zhuǎn)移到DSP內(nèi)部RAM中，而用戶引導(dǎo)程序的作用就是將存儲(chǔ)在FLASH中的程序代碼轉(zhuǎn)移到高速SRAM中，然后開始執(zhí)行。 　　圖中CPLD的作用一方面是作為PCI接口芯片的局部總線和DSP的主機(jī)接口之間的譯碼電路，實(shí)際上也就是作為PCI局部總線的仲裁器，它對(duì)PCI接口芯片和DSP提出的占用局部總線的請(qǐng)求進(jìn)行仲裁，協(xié)調(diào)它們之間的邏輯關(guān)系，使局部總線上的操作順利進(jìn)行。另一方面CPLD還作為DSP和FLASH程存之間的譯碼電路，由于FLASH的訪問速度比較慢，因此需要DSP加上適量的等待狀態(tài)才可以從FLASH中順利讀取程序代碼到SRAM中。 4 系統(tǒng)應(yīng)用前景 　　這種基于DSP和PCI總線的多媒體嵌入式系統(tǒng)組成的百兆局域網(wǎng)，作為基本的高性能實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，其帶寬完全滿足動(dòng)態(tài)圖像和語音壓縮數(shù)據(jù)的傳輸，可用于多媒體全數(shù)字化語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)，由于這種學(xué)習(xí)系統(tǒng)還不多見，而且基于DSP和PCI總線并帶有視頻功能的產(chǎn)品尚未出現(xiàn)，因此，這種學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有非常好的市場(chǎng)前景。 　　此外，這種多媒體嵌入式系統(tǒng)還有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，將在視頻會(huì)議系統(tǒng)、視頻點(diǎn)播系統(tǒng)、高速分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及包括軍事信息等系統(tǒng)在內(nèi)的眾多領(lǐng)域直接發(fā)揮作用。 參考文獻(xiàn) 　　[1] Tom Shanley,Don Anderson.PCI System Architecture（Fouth Edition）.Publishing House of Electronics Industry.July 2000 　　[2] PCI 9054 Data Book v2.1.PLX Technology Inc.January 2000 　　[3] Texas Instruments TMS320VC5409/21 DSP to PCI Bus Application Note. PLX Technology Inc.June 2000 　　[4] TMS320VC5409 Data Book.Texas Instruments Incorporated.2000 　　[5] 李貴山，戚德虎.PCI局部總線開發(fā)者指南.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997 　　[6] 戴明楨，周建江.TMS320C54x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001 　　[7] 黃迅.基于PCI總線的DSP數(shù)據(jù)運(yùn)算平臺(tái)設(shè)計(jì)。電子產(chǎn)品世界 2001年第5期A版 　　[8] 李哲英，駱麗，劉元盛.DSP器件為核心的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。電子產(chǎn)品世界 2001年第5期A版