朱啟強(qiáng)

（中國電波傳播研究所，山東 青島 266107）

0 引言

TS201是美國ADI公司生產(chǎn)的一款高性能數(shù)字信號(hào)處理器，主頻高達(dá)600 MHz，24 MB內(nèi)存，集成雙運(yùn)算單元、4條獨(dú)立128 bit寬內(nèi)部總線、14個(gè)DMA通道控制器和一個(gè)SDRAM控制器；具有64 bit外部總線接口及4個(gè)Link接口。TS201處理器因其運(yùn)算速度快、內(nèi)存容量大、接口豐富、擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代雷達(dá)、無線通信、圖形圖像處理等信號(hào)處理系統(tǒng)中[1-2]。

目前，基于TS201的硬件設(shè)計(jì)文章較多，如參考文獻(xiàn)[3-5]均是關(guān)于硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，而有關(guān)軟件設(shè)計(jì)卻很少。如何利用好TS201處理器的各種資源進(jìn)行應(yīng)用軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能、提高軟件運(yùn)行效率及穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。本文結(jié)合具體項(xiàng)目，對(duì)如何正確利用處理器的各種資源及其優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并在實(shí)際項(xiàng)目的信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)中進(jìn)行了應(yīng)用，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。

1 系統(tǒng)及算法介紹

在某探測(cè)系統(tǒng)中共使用4片TS201處理器用于完成信號(hào)處理功能。4個(gè)處理器之間通過Link口互聯(lián)，每個(gè)處理器外掛256 MB的SDRAM，并通過FPGA與3個(gè)光纖接口連接。

處理器的任務(wù)是通過光纖接口完成對(duì)基帶數(shù)據(jù)的接收，并通過Link口將數(shù)據(jù)分發(fā)到不同的處理器；在不同的處理器上同時(shí)對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，最后將處理結(jié)果合成并進(jìn)一步處理后通過光纖接口輸出。信號(hào)處理算法包括通道校準(zhǔn)、波束合成和脈沖壓縮，在處理器中實(shí)現(xiàn)這些算法所涉及的運(yùn)算包括FFT、復(fù)數(shù)向量乘法、復(fù)數(shù)矩陣乘法、復(fù)數(shù)向量加法以及IFFT等，用到的處理器資源包括Link口、存儲(chǔ)器、中斷、定時(shí)器等。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 Link口數(shù)據(jù)傳輸

2.1.1 Link口初始化

處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸均是利用Link口進(jìn)行的，在處理器復(fù)位之后，首次使用Link口傳輸數(shù)據(jù)之前必須先對(duì)其初始化。Link口初始化主要包括收、發(fā)Link口之間握手、數(shù)據(jù)位模式選擇和傳輸時(shí)鐘頻率設(shè)置。握手是發(fā)送Link口在初始化時(shí)將一信號(hào)置成高電平，向接收Link口表明收發(fā)已連接；Link口數(shù)據(jù)線由4對(duì)LVDS信號(hào)線組成，可以使用4對(duì)同時(shí)傳輸，也可以只使用1對(duì)數(shù)據(jù)線傳輸，分別稱為4位傳輸模式和1位傳輸模式；Link口的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘頻率由處理器的核心頻率分頻得到，分頻系數(shù)可以為1、1.5、2和4。初始化步驟如下：

（1）設(shè)置發(fā)送Link口功能無效；

（2）使能發(fā)送Link口，并設(shè)置傳輸模式為4位，分頻系數(shù)為1.5；

（3）等待2 500個(gè)時(shí)鐘周期以上；

（4）設(shè)置接收Link口無效；

（5）使能接收Link口，傳輸模式與發(fā)送設(shè)置相同。

實(shí)際探測(cè)項(xiàng)目中的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為50 MHz，處理器的核心時(shí)鐘頻率為600 MHz，由系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過鎖相環(huán)12倍倍頻得到。Link口時(shí)鐘頻率經(jīng)過分頻之后可以為600 MHz、400 MHz、300 MHz和150 MHz，考慮到穩(wěn)定性問題，這里選用400 MHz作為Link口的時(shí)鐘頻率。

Link口初始化時(shí)的握手需要兩個(gè)處理器程序同步運(yùn)行，這就需要上位機(jī)的參與。由于上位機(jī)同步不是十分精確，一旦同步出現(xiàn)問題，Link口初始化就會(huì)失敗，數(shù)據(jù)傳輸就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

為了解決同步問題，可以采用另外一種Link口初始化方式。這種初始化方式是利用軟件設(shè)置寄存器強(qiáng)制接收Link口處于接收狀態(tài)，而不再需要硬件握手，即發(fā)送Link口和接收Link口初始化不再有聯(lián)系，可以分別獨(dú)自初始化。發(fā)送Link口初始化步驟如下：

（1）設(shè)置發(fā)送Link口無效；

（2）使能發(fā)送Link口，并同時(shí)設(shè)置4位傳輸模式和發(fā)送時(shí)鐘頻率。

接收Link口初始化步驟如下：

（1）設(shè)置接收Link口無效，同時(shí)設(shè)置接收控制寄存器中RINIF和RINIV位為1；

（2）等待2 500個(gè)時(shí)鐘周期以上；

（3）使能接收Link口，并設(shè)置傳輸模式與發(fā)送設(shè)置相同。

2.1.2 Link口傳輸配置

處理器為每個(gè)Link口配備了兩個(gè)DMA通道控制器，專門用于Link口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。每個(gè)DMA通道都有一個(gè)配置塊（TCB），配置塊包含若干寄存器。利用Link口DMA通道進(jìn)行一維發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)時(shí)需要配置3個(gè)寄存器：DI、DX和DP。

DI寄存器用于存儲(chǔ)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的源地址或者接收數(shù)據(jù)時(shí)的目的地址，可以是內(nèi)存也可以是外存。DX低16 bit表示源地址或者目的地址的增量，高16 bit用于存儲(chǔ)傳送數(shù)據(jù)的長度，由于只有16 bit，因此啟動(dòng)一次DMA所能傳送數(shù)據(jù)的最大長度為65 536，如果傳送的數(shù)據(jù)長度大于65 536，需要分多次進(jìn)行傳輸。在DP中需要進(jìn)行的設(shè)置為：源地址或者目的地址是內(nèi)存還是外存，一次讀取或者存放數(shù)據(jù)的寬度（單位為字，必須設(shè)置成4），以及DMA結(jié)束中斷是否打開。數(shù)據(jù)寬度設(shè)置成4后，地址增量也必須設(shè)置成4。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)DMA一次讀取4個(gè)字，并通過Link口發(fā)送給接收方，接收DMA接收到4個(gè)字后將其寫入到目的地址，源地址和目的地址都會(huì)自動(dòng)增加4，為下次數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)送方和接收方都會(huì)將數(shù)據(jù)長度減去4，當(dāng)數(shù)據(jù)長度為0時(shí)表明發(fā)送和接收都已完成。如果DMA結(jié)束中斷被使能，那么在發(fā)送結(jié)束和接收完成后都會(huì)收到DMA完成中斷。由于Link口DMA通道采用4字操作，因此傳送數(shù)據(jù)的長度必須為4的整數(shù)倍，且至少應(yīng)為4。源地址和目的地址必須4字對(duì)齊。

2.2 中斷設(shè)計(jì)

在TS201處理器中有很多中斷源，有硬件中斷也有軟件中斷，經(jīng)常用到的中斷源包括4個(gè)Link口請(qǐng)求中斷，8個(gè)Link口DMA通道發(fā)送或者接收完成中斷，4個(gè)外部端口DMA通道發(fā)送或者接收完成中斷，4個(gè)外部中斷，4個(gè)定時(shí)器中斷，其中2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)較低，另外兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)較高。

利用這些中斷之前必須先要編寫中斷服務(wù)程序，并與中斷源進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

在用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，必須等到本次DMA完成才能啟動(dòng)下一次DMA，否則DMA通道將會(huì)阻塞，導(dǎo)致無法正常傳輸數(shù)據(jù)?？梢栽贒MA完成中斷服務(wù)程序時(shí)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，通過該標(biāo)志來判斷DMA是否已經(jīng)完成。

當(dāng)Link口接收緩沖滿時(shí)會(huì)發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求接收中斷，可以根據(jù)該中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

外部中斷可由外設(shè)發(fā)起，處理器收到外設(shè)中斷后與外設(shè)進(jìn)行通信。

向定時(shí)寄存器中寫入定時(shí)值，并啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)器按一定時(shí)鐘周期對(duì)定時(shí)值循環(huán)減一，當(dāng)減到零時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)中斷。

Link口請(qǐng)求中斷是電平觸發(fā)方式，外部中斷可設(shè)置成沿觸發(fā)也可設(shè)置成電平觸發(fā)，其他中斷均為沿觸發(fā)。在本系統(tǒng)中有3個(gè)外部中斷源通過復(fù)用連接到處理器的中斷信號(hào)IRQ2上，同一時(shí)刻可能有兩個(gè)或者3個(gè)中斷產(chǎn)生，如果將該中斷的觸發(fā)方式設(shè)置成沿觸發(fā)，勢(shì)必會(huì)造成中斷丟失。為了解決這個(gè)問題可以將中斷設(shè)置成電平觸發(fā)方式，一旦中斷產(chǎn)生只有處理器響應(yīng)之后并由處理器自己撤銷已經(jīng)響應(yīng)的中斷；沒有響應(yīng)的中斷會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生，處理器退出前一個(gè)中斷服務(wù)程序之后會(huì)繼續(xù)響應(yīng)下一個(gè)中斷，并進(jìn)行撤銷處理，直到處理完所有的中斷。

Link口請(qǐng)求中斷的觸發(fā)方式固定為電平觸發(fā)，一旦此中斷產(chǎn)生，處理器就必須馬上響應(yīng)，否則頻繁的中斷產(chǎn)生會(huì)耽誤處理器的正常運(yùn)行。對(duì)Link口請(qǐng)求中斷的響應(yīng)就是啟動(dòng)DMA接收由Link發(fā)送來的數(shù)據(jù)。需要特別注意的是，配置完Link口DMA接收通道后，到DMA啟動(dòng)有一定時(shí)間延遲，而請(qǐng)求中斷只有在DMA啟動(dòng)后才會(huì)自動(dòng)撤銷。所以在配置完DMA通道后需要再等待約1 μs才能進(jìn)行其他處理，否則，請(qǐng)求中斷會(huì)再次產(chǎn)生，造成中斷重入錯(cuò)誤。

每個(gè)中斷都有自己的優(yōu)先級(jí)，低優(yōu)先級(jí)的中斷可以被高優(yōu)先級(jí)的中斷打斷，進(jìn)入中斷嵌套，低優(yōu)先級(jí)中斷不能打斷高優(yōu)先級(jí)的中斷。特別是對(duì)于電平觸發(fā)的中斷，如果不能及時(shí)處理，中斷會(huì)持續(xù)不斷地產(chǎn)生，不但影響處理器的正常運(yùn)行，低優(yōu)先級(jí)的中斷也將一直無法進(jìn)入。

2.3 存儲(chǔ)器訪問

很多系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求較高，在硬件資源一定的情況下，就需要通過優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)來滿足實(shí)時(shí)性要求。下面以通道校準(zhǔn)算法為例來介紹使用存儲(chǔ)器的優(yōu)化方法。

通道校準(zhǔn)算法可分解成兩次FFT運(yùn)算和一次向量乘法運(yùn)算。在實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的信號(hào)處理算法時(shí)調(diào)用了第三方函數(shù)庫，其FFT函數(shù)原型如下：

ez_c2fft_f（A，BUF，TW，twstr，N，C）

其中，A、C、BUF和twstr均為復(fù)數(shù)向量地址指針，分別指向4片存儲(chǔ)區(qū)域，可以使用內(nèi)存，也可以使用外存，但處理器訪問外存時(shí)的速率遠(yuǎn)低于內(nèi)存。因此，為了提高運(yùn)算速度，這4片存儲(chǔ)區(qū)域應(yīng)盡量選擇內(nèi)存。

處理器的內(nèi)存為24 Mbit，被平均分成了6塊，通過交叉點(diǎn)開關(guān)分別與處理器內(nèi)部的4條總線相連。由于TS201處理器采用了超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)和靜態(tài)超標(biāo)量處理，并支持單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）模式，使處理器每周期可同時(shí)執(zhí)行4條指令和6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算[6-7]；4條內(nèi)部總線可同時(shí)訪問不同的4片內(nèi)存，訪問寬度為128 bit。因此，在FFT運(yùn)算時(shí)為其分配的存儲(chǔ)區(qū)滿足如下要求時(shí)將會(huì)大大提高運(yùn)算效率：（1）存儲(chǔ)區(qū)位于內(nèi)存；（2）存儲(chǔ)區(qū)被分配在不同的存儲(chǔ)塊內(nèi)；（3）存儲(chǔ)區(qū)首地址4字對(duì)齊。

在通道校準(zhǔn)時(shí)需要用到通道校準(zhǔn)系數(shù)，通道校準(zhǔn)系數(shù)在標(biāo)校工作狀態(tài)下求出，但由于其數(shù)據(jù)量較大，必須先搬移到外存，在通道校準(zhǔn)時(shí)再搬移到內(nèi)存使用。有4個(gè)DMA通道可以用于內(nèi)存與外存之間數(shù)據(jù)的搬移操作。在配置DMA通道時(shí)，DP寄存器中的LEN可以被配置成單字、雙字或者4字，當(dāng)配置成4字時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸效率最高，源地址和目的地址也必須按4字對(duì)齊。

2.4 定時(shí)器操作

TS201處理器提供兩個(gè)通用定時(shí)器，存儲(chǔ)初始定時(shí)值的寄存器為64 bit寬，但配置時(shí)必須按32 bit進(jìn)行訪問。兩個(gè)定時(shí)器都是減法定時(shí)器，設(shè)置完定時(shí)值并啟動(dòng)定時(shí)器后，定時(shí)器在每個(gè)定時(shí)時(shí)鐘周期對(duì)初始值進(jìn)行減一操作，直到減到零為止，然后重新載入初始定時(shí)值并再次按定時(shí)時(shí)鐘周期進(jìn)行減一操作。每當(dāng)定時(shí)器減到零時(shí)就會(huì)產(chǎn)生定時(shí)中斷。定時(shí)器的時(shí)鐘頻率為處理器核心時(shí)鐘頻率的一半，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中定時(shí)器的時(shí)鐘頻率為300 MHz，一個(gè)定時(shí)器最大定時(shí)時(shí)間很長，但只配置定時(shí)器低32 bit時(shí)最大定時(shí)約14.3 s。不再使用定時(shí)器時(shí)要及時(shí)關(guān)閉定時(shí)器。

使用定時(shí)器可以測(cè)試一段代碼的運(yùn)行時(shí)間。在要測(cè)試代碼段的開始設(shè)置定時(shí)器初始值，然后啟動(dòng)定時(shí)器，并讀取定時(shí)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值，在代碼段運(yùn)行結(jié)束時(shí)，再次讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，兩次計(jì)數(shù)值的差值除以計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率300 MHz，便是代碼段的運(yùn)行時(shí)間，單位為μs。還可以用定時(shí)器監(jiān)測(cè)某個(gè)事件是否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。在事件開始之前設(shè)置好定時(shí)值，并啟動(dòng)定時(shí)器，如果事件正常完成就關(guān)閉定時(shí)器；如果事件超時(shí)，就會(huì)收到定時(shí)器定時(shí)完成中斷，先關(guān)閉定時(shí)器，然后進(jìn)行相應(yīng)的超時(shí)處理。

3 結(jié)論

本文結(jié)合具體項(xiàng)目和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)TS201處理器的各種資源進(jìn)行介紹，提出了利用這些資源進(jìn)行軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。利用該方法設(shè)計(jì)的信號(hào)處理軟件已成功應(yīng)用到某探測(cè)項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目提出的各種功能，充分滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，程序運(yùn)行穩(wěn)定，驗(yàn)證了本文所提出的基于TS201軟件設(shè)計(jì)方法的正確性。本文也為同類軟件設(shè)計(jì)的工程師提供了經(jīng)驗(yàn)和重要參考價(jià)值，能有效提高所設(shè)計(jì)軟件的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，同時(shí)節(jié)省了開發(fā)時(shí)間和成本。

[1]Analog Devices，Inc．ADSP-TS201 TigerSHARC processor hardware reference[EB/OL].[2014-07-01].Revision1.1，December 2004.

[2]王菲，汪學(xué)剛．ADSP-TS201的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及外部總線接口技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（11）：53-55.

[3]冼友倫，盧護(hù)林，蘇濤．基于FPGA的多通道高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34（9）：21-24.

[4]顧穎，張雪婷，張飚．基于ADSP-TS201S的通用雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28（6）：49-51.

[5]宋思盛，肖開健．基于TS201的通用并行信號(hào)處理板設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2008，37（2）：65-68.

[6]李冬仙，王斌，吳瑛．短波寬帶陣列信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34（3）：52-54.

[7]張澤云，趙宏生，徐朝陽．基于ADSP-TS201S的雷達(dá)信號(hào)處理研究[J].艦船電子對(duì)抗，2011，34（3）：46-48.