王甜

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與自動(dòng)化學(xué)院，北京，100018）

0 引言

隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的性能不斷提高，DSP的單片處理能力已經(jīng)十分強(qiáng)大。但是，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，如：無線基站和高性能雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)等，由于需要對(duì)多通道的數(shù)據(jù)做實(shí)時(shí)處理，其運(yùn)算速度要求達(dá)到每秒幾百億、甚至上千億次運(yùn)算，這時(shí)只有利用多片DSP，做并行處理，才能滿足這種需求。

在由多DSP組成的信號(hào)處理系統(tǒng)中，多片DSP間的數(shù)據(jù)傳送是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵之一。ADI公司的Tiger SHARC系列DSP為用戶提供了設(shè)計(jì)大規(guī)模并行系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，基于其專門用于DSP間通信的鏈路口，可以設(shè)計(jì)出高速的松耦合分布式并行系統(tǒng)。

1 TigerSHARC 系列DSP概述

TigerSHARC系列DSP是美國ADI公司基于其SHARC系列DSP的下一代高性能芯片。該系列 DSP是具有極高性能的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，專為大的信號(hào)處理任務(wù)和通信應(yīng)用進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。該處理器具有非常寬的存儲(chǔ)器帶寬和雙運(yùn)算模塊（支持32-bit浮點(diǎn)和8-，16-，32-，64-bit定點(diǎn)處理）。靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)使其每周期能夠執(zhí)行多達(dá)4條指令，24個(gè)16-bit定點(diǎn)運(yùn)算或6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算。目前，該系列的產(chǎn)品包括：ADSP-TS101S和ADSP-TS201S、TS202S、TS203S等，其中ADSP-TS20xS是最近推出的芯片。目前應(yīng)用較多的為ADSP-TS101S，有250M和300M兩種主頻。

ADSP-TS101S的片內(nèi)資源主要有：（1）雙運(yùn)算模塊，每個(gè)運(yùn)算模塊有一個(gè)ALU、一個(gè)乘法器、一個(gè)移位器及通信加速器；（2）雙整數(shù)ALU，提供數(shù)據(jù)尋址和指針操作；（3）6Mbits SRAM，分為M0、M1和M2共3部分；（4）3套相互獨(dú)立的32位地址、128位數(shù)據(jù)內(nèi)部總線，分別對(duì)應(yīng)連接內(nèi)部SRAM的M0、M1和M2；（5）程序控制器、中斷控制器和SDRAM控制器；（6）DMA控制器，共有14個(gè)DMA通道；（7）32位地址、64位數(shù)據(jù)的外部端口和4個(gè)鏈路口。

剛推出的ADSP-TS20xS相對(duì)于TS101S的主要改進(jìn)與提高包括：（1）運(yùn)行頻率提升到了600MHz；（2）運(yùn)算塊中的通信加速器增強(qiáng)為單獨(dú)的通訊邏輯單元；（3）內(nèi)部總線增加為4 套；（4）內(nèi)部RAM改為24Mbit的嵌入式DRAM。

2 TigerSHARC 系列DSP鏈路口的結(jié)構(gòu)、工作方式及使用方法

■2.1 TigerSHATC系列DSP鏈路口概述

TigerSHARC系列DSP的鏈路口是除外部口外，專門用于系統(tǒng)中TigerSHARC系列DSP之間通信的額外通道，另外，也可以與滿足鏈路口通信協(xié)議的其它設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接（如：可以通過在FPGA中構(gòu)建鏈路口控制器實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA間高速的點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸）。

TigerSHARC系列DSP的鏈路口都以雙倍速率工作，即在時(shí)鐘的上升沿和下降沿都鎖存數(shù)據(jù)。對(duì)于300MHz的TS101S來說，鏈路口時(shí)鐘最高可以為內(nèi)核時(shí)鐘的一半，即150MHz，每個(gè)鏈路口提供300Mbyte/S的傳送速率，4個(gè)鏈路口就可以實(shí)現(xiàn)1.2Gbyte/S的峰值速率。而對(duì)600MHz的TS201S來說，鏈路口時(shí)鐘的最高可以達(dá)到內(nèi)核時(shí)鐘，即600MHz，每個(gè)鏈路口可以實(shí)現(xiàn)1200Mbyte/S的傳輸速率，4個(gè)鏈路口就可以實(shí)現(xiàn)4.8Gbyte/S的峰值速率。由此，可以看出，利用鏈路口，可以實(shí)現(xiàn)TigerSHARC系列DSP間高速地?cái)?shù)據(jù)傳送，從而可以大大提高整個(gè)并行系統(tǒng)的性能。

■2.2 TigerSHARC系列DSP鏈路口結(jié)構(gòu)

ADSP-TS101S的鏈路口為半雙工外部接口，每個(gè)鏈路口有8條雙向數(shù)據(jù)線和3條控制線：LxDAT[7:0]提供了8位數(shù)據(jù)總線的輸入/輸出；LxCLKOUT和LxCLKIN執(zhí)行時(shí)鐘/確認(rèn)握手協(xié)議；LxDIR表明傳輸?shù)姆较蚯抑划?dāng)對(duì)LxDAT信號(hào)進(jìn)行緩沖的時(shí)候使用。其典型的外部連接方式如圖1所示。

TS101S鏈路口內(nèi)部由收發(fā)兩部分組成，并且為雙緩沖結(jié)構(gòu)，其中發(fā)送緩沖寄存器（LBUFTXx）和接收緩沖寄存器（LBUFRXx）為存儲(chǔ)器映射寄存器，發(fā)送移位寄存器和接收移位寄存器不能被軟件訪問，這四個(gè)寄存器都是128bit寄存器。鏈路口數(shù)據(jù)傳輸必須為4字的整倍數(shù)，也就是說最小傳輸單元為4字（128 bit）。

圖1 典型的鏈路口外部連接方式

TS20xS的鏈路口為全雙工外部接口，并且采用低壓差分信號(hào)（LVDS）。每個(gè)鏈路口都有一對(duì)收發(fā)通道，最多可有4bit分別用于收發(fā)，可以同時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)全雙工通訊。每一個(gè)通道包括4位數(shù)據(jù)、一個(gè)時(shí)鐘和兩個(gè)控制信號(hào)，其中數(shù)據(jù)和時(shí)鐘為L(zhǎng)VDS信號(hào)。

■2.3 TigerSHARC系列DSP鏈路口的工作方式及使用方法

雖然，TS101S與TS20xS的鏈路口在外部電氣特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有較大的區(qū)別，但它們的工作方式和使用方式基本一致，所以，在本節(jié)以TS101S為例，討論鏈路口的工作方式和使用方法。

TigerSHARC系列DSP鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸由鏈路口內(nèi)部的通信協(xié)議保證，應(yīng)用程序只需在傳輸前對(duì)鏈路口的控制寄存器（LCTLx）進(jìn)行正確設(shè)置即可，該寄存器的結(jié)構(gòu)如表1所示。

推薦理由:文化的歷史，說到底是人類的歷史?，F(xiàn)代人是如何從十萬年前的東非小部落，成長(zhǎng)為如今超過70億人口并遍布整個(gè)世界的？在人類進(jìn)化早期，基因?qū)ξ幕鸬經(jīng)Q定性作用；而在 “走出非洲”的擴(kuò)張階段，文化演進(jìn)才是現(xiàn)代人成功的最大秘密。本書講述了人類偉大的遷移史、人類基因的秘密以及基因與文化的深刻互動(dòng)和相互影響，以生物進(jìn)化理論為基礎(chǔ)，為讀者呈現(xiàn)了一幅宏大的人類文化演進(jìn)的歷史畫卷。所有這些內(nèi)容會(huì)幫助我們重新認(rèn)識(shí)種族差異、文化差異和人類本身。

表1 LCTLx寄存器結(jié)構(gòu)

具體各個(gè)控制位的描述如表2所示。

表2 LCTLx寄存器控制位描述

使用鏈路口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸有兩種方法，一種是DSP內(nèi)核通過直接寫鏈路口的發(fā)送緩沖寄存器和讀鏈路口的接收緩沖寄存器來傳輸數(shù)據(jù)；另一種是片內(nèi)的DMA控制器可以通過8個(gè)專用的鏈路口DMA通道（4個(gè)發(fā)送通道，4個(gè)接收通道）來傳輸數(shù)據(jù)。

對(duì)于第一種方式，可以直接將要發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖，當(dāng)發(fā)送移位寄存器為空時(shí)，發(fā)送緩沖中的數(shù)據(jù)被送入發(fā)送移位寄存器進(jìn)行發(fā)送；當(dāng)發(fā)送緩沖中的數(shù)據(jù)送入發(fā)送移位寄存器后，才可以將新的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖。當(dāng)接收移位寄存器為空時(shí)，開始接收數(shù)據(jù)；接收完全部4 字后，且接收緩沖為空時(shí)，將數(shù)據(jù)送入接收緩沖，DSP內(nèi)核可以通過內(nèi)部總線讀取數(shù)據(jù)。這種方式傳輸數(shù)據(jù)需要DSP內(nèi)核進(jìn)行操作，在數(shù)據(jù)量大時(shí)效率不高，所以下面重點(diǎn)針對(duì)DMA方式，詳細(xì)闡述基于鏈路口的DSP間的數(shù)據(jù)傳輸。

TigerSHARC系列DSP的每個(gè)鏈路口都分配兩個(gè)DMA通道，分別用于發(fā)送和接收。這兩個(gè)DMA通道可以連接任意的內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器。當(dāng)發(fā)送緩沖為空且此DMA通道使能時(shí)，鏈路口發(fā)出DMA傳輸請(qǐng)求；當(dāng)接收緩沖滿且DMA通道使能時(shí)，鏈路口發(fā)出DMA接收請(qǐng)求；當(dāng)這個(gè)DMA通道變成激活狀態(tài)時(shí)，DMA請(qǐng)求馬上執(zhí)行。

每一個(gè)DMA通道都有一個(gè)固定的TCB寄存器（DMA傳輸控制塊寄存器），其中DCx為鏈路口DMA通道TCB寄存器，應(yīng)用程序中通過寫DCx來建立和使能鏈路口DMA通道的DMA傳輸。表3給出了DCx與鏈路口DMA通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系。每一個(gè)TCB寄存器由4個(gè)32位的寄存器組成：

索引寄存器（DI），存放需要傳輸數(shù)據(jù)的地址。

X方向計(jì)數(shù)和增量寄存器（DX），高低16位分別存放DMA的計(jì)數(shù)值和地址增量。

Y方向計(jì)數(shù)和增量寄存器（DY），高低16位分別存放DMA的計(jì)數(shù)值和地址增量。

控制和鏈指針寄存器（DP），存放DMA的控制信息和DMA鏈的指針，DP中控制信息的詳細(xì)用法可查看相關(guān)技術(shù)文檔。

表3 DCx與鏈路口DMA通道對(duì)應(yīng)關(guān)系

下面以圖1所示連接關(guān)系，具體給出TigerSHARC系列DSP鏈路口DMA數(shù)據(jù)傳送的程序設(shè)計(jì)方法。假設(shè)現(xiàn)在編程將TS1內(nèi)部存儲(chǔ)器中地址link_tx_int開始的1K字的數(shù)據(jù)通過鏈路口傳送到TS2的外部存儲(chǔ)器中，地址為link_rx_ext。此處不使用二維DMA，所以不用填寫DY寄存器。鏈路口DMA傳輸完成后會(huì)觸發(fā)相應(yīng)DMA通道的中斷。

TS1中通過寫DC4啟動(dòng)鏈路口0的DMA傳送，匯編程序如下：

XR0 = link_tx_int;（DI寄存器）

XR1 = 0x04000004;（DX寄存器）

XR2 = 0x00000000;（DY寄存器）

圖2 三種典型的鏈路口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

XR3 = 0x47000000;（DP寄存器）

DC4 = XR3:0;

TS2中通過寫DC9啟動(dòng)鏈路口1的DMA接收，匯編程序如下：

XR4 = link_rx_ext;DI寄存器）

XR5 = 0x04000004;（DX寄存器）

XR6 = 0x00000000;（DY寄存器）

XR7 = 0x87000000;（DP寄存器）

DC4 = XR7:4;

3 基于TigerSHARC系列DSP鏈路口的并行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于TigerSHARC系列DSP的4個(gè)鏈路口可以設(shè)計(jì)出具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高速松耦合分布式并行系統(tǒng)。圖2 給出了常用的三種多處理器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；谶@三種常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以連接多片TigerSHARC DSP，組成規(guī)模巨大的處理器陣列，滿足各種特定的對(duì)計(jì)算能力要求很高的應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

TigerSHARC系 列DSP是ADI公司的高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其特有的鏈路口互聯(lián)技術(shù)，為由多DSP組成高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)提供了很好的解決方案。本文詳細(xì)介紹了TigerSHARC系列DSP鏈路口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用方法，并給出了典型的并行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。