基于DSP内嵌PCI总线的卫星信号仿真器设计

0 引 言
    卫星信号仿真器在卫星导航的研究开发中占有重要地位，特别是多模接收机和高动态接收机的研发。多模卫星仿真器中涉及到大量的数据传输，为了保证PC机和DSP之间数据传输的实时性和准确性，选择基于PCI总线接口进行数据传输。常用的PCI开发是采用专门的PCI接口芯片，但这样系统就会多一块芯片，性价比低，而TI公司TMS320C6416系列的DSP拥有内置PCI接口，使得硬件开发难度降低和主机对DSP资源访问更加透明。提出一种基于TMS320C6416系列DSP的PCI总线卫星信号发生器的硬件平台以及相应的PCI接口电路设计。

1 系统结构与实现方案
1．1 系统总体结图
    图1是仿真器的总体结构框图，其核心器件包括DSP6416，SDRRAM，FLASH，FPGA，D／A，时钟以及PC机。其中，D／A完成数字信号到模拟信号的转换；SDRAM作为外设存储器存储由PC机传来的数据；FLASH用于在系统掉电后保存DSP的运行程序；FP-GA作为仿真器的另一核心部件，主要完成与DSP的通信、信号的合成和D／A的控制；PC机主要完成仿真器的数字信号处理与计算好的数据在PCI接口和DSP间的传递。DSP作为主机和FPGA之间的通信桥梁，主要完成两方面的工作：一是定时接收PC机计算的各种控制字和电文，按照时序要求，将各通道的控制字发送给FPGA；二是由于PC机计算是双精度浮点型的，而FPGA中只能以整型数据计算，这样必然会造成两者相位累加值的差异，随着时间的流逝，误差会越来越大，必须加以校正；但如果要将FPGA累加的数据再返回到PC机进行比较校正，在实时性上得不到保证，因此需要在DSP中实现对频率字的校正。

在设计中，将SDRAM作为DSP的片外存储器，配置在EMIFA的CE0空间内，FPGA与DSP通过EMI-FA接口交互数据，它配置在EMIFA的CE1和CE2空间内。EMIFB的CE1配置成异步8位通信方式与FLASH通信。
1．2 DSP与PCI接口电路连接设计
    由于DSP TMS320C6416内部集成PCI接口，所以不需要桥接芯片，只需要设计与PCI母板之间的接口，不需要设计PCI与DSP本身之间的接口。由于仿真器是一个多电源系统，可以提供5 V，3．3 V，12 V的电源，所以对连接器采用多电源供电。此外，由于DSP是3．3 V系统，虽然它的PCI口能承受5 V电压，但考虑到系统的稳定性，在DSP的PCI口和连接器之间加3个电压转换芯片IDTQS32X2245，将5 V电压转换成3．3 V电压。由于DSP是集成的PCI接口，其电路设计较简单，将DSP PCI接口的地址和数据总线直接连到IDTQS32X2245芯片的B管脚部分，将铜手指上的地址和数据总线连接到IDTQS32X2245芯片的A管脚部分，仲裁信号REQ，GNT、错误报告信号PERR，SERR、字节使能信号C／BE[3：O]、接口控制信号FRAM，IRDY，STOP， IDSEL，DEVESEL也都按相同的方法连接在相应的位置上。限于篇幅，这里仅给出DSP PCI接口部分与连接器的连接示意图，如图2所示。

2 DSP6416内嵌PCI关键寄存器及其中断机制
    DSP6416的PCI接口支持通过主／从总线接口连接DSP到PCI主机，PCI接口端通过EDMA内部硬件与DSP相连，它支持四种类型PCI数据交换：从模式读，即外部PCI主设备通过PCI接口写数据到DSP；从模式写，即外部PCI主设备通过PCI接口从设备读数据；主模式读，即DSP主设备通过PCI接口读数据到外部PCI从设备；主模式写，即DSP主设备通过PCI接口写数据到外部PCI从设备。
    PCI寄存器主要包括3类：PCI配置寄存器、PCII／O寄存器、映射在DSP存储空间作为外设的PCI寄存器。前两类寄存器只能被外部主机访问，而第三类寄存器可以被DSP和外部PCI主机访问。
    PCI配置寄存器包含标准的PCI配置信息(设备标识，厂商标识，分类代码，基址等)；PCI I／O寄存器位于PCI主机的I／O空间，主机只能在：Base1和Base2访问它们，PCI I／O寄存器包括HSR，HDCR，DSPP。如图3所示，HSR寄存器表明主机的状态，它的INTSRC位和INTAM位对于中断处理至关重要。 INTAM位为1时，它可以屏蔽DSP发送的中断，当该位为0时，只要。DSP设置RSTSRC字段中的INTREQ位时，可以使能PINTA，即主机在这时可以响应中断。当INTSRC位读为0时，表示PINTA自上次清除后无效，当读为1时，表示PINTA处于使能状态，该位写0无效，写1清除 PINTA的使能状态。对于HDCR来说，PC机通过将DSPINT位置1产生主机中断。DSPP主要和Base0一起定义一段存储空间。

    PCI内存映射外围寄存器主要用于控制PCI接口，它可以被主机和DSP访问，在该寄存器中，较重要的是RSTSRC寄存器，如图4所示。

 DSP通过将RSTSRC寄存器中的INTREQ置1产生中断；PC机和DSP通过将INTRST置1清除中断，这一点在驱动开发中至关重要，因为DSP 产生的中断属于电平中断类型，如果不清除中断，它将一直有效．这将会导致中断响应函数不断的调用，从而导致死机。
    PCI端口通过3种基址寄存器可以完全访问DSP的存储器映射。
    Base0：4 MB的可预存取空间，通过设置DSP页寄存器映射所有DSP存储器空间，预取读使所有的字节有效。
    Base1：8 MB非预取地址映射对应于所有的DSP存储空间，非预取支持字节使能。
    Base2：PCI的16MB I／O包括I／O寄存器。
    这3种寄存器属于PCI配置寄存器，PCI主机可以访问映射在PCI存储器空间4 MB的DSP存储器，PCI端口包含一个PCI I／O寄存器(DSPP寄存器)从PCI地址到DSP地址的映射。当DSP作为PCI本地总线从属时，使用该映射模式；当DSP上的PCI基地址寄存器被配置成一个8 MB不可预取区域时，该存储空间映射为DSP内存映射寄存器(0180 0000h)。PCI地址的22：0位与一个固定偏移相连，将Base 1访问映射到内存寄存器；基地址寄存器2配置16 B I／O空间，使PCI主机用于访问PCI I／O寄存器。

3 仿真器程序及驱动程序的开发
3．1 驱动工具的选择
    对于开发wDM型PCI驱动，常用的开发工具有三种。一是直接使用Windows DDK或者WDK工具；二是使用DriverStudio；三是使用WinDriver。第一种方式要求掌握Windows的体系结构、设备驱动的体系结构等知识，开发难度较大；第二种方式对DDK进行了封装，难度虽然降低了些，但依然不小，而且由于封装问题，可能带来一些Bug，有可能导致项目失败；第三种方式克服了传统开发工具开发驱动周期长，效率低，需具有DDK和核心态程序开发经验等缺点，大大简化了ISA-BUS，PCIBUS等硬件设备驱动程序的开发过程，而且WinDriver还提供核心插件(Kerneal Plu-gin)功能，使开发者在用户模式下调试代码，然后将调试无误的代码搬到内核模式(Kernel Mode)中，因而使用WinDriver，具有简单、快速、高效的特点。
3．2 WinDriver的工作原理
    图5是WinDriver的体系结构图，阴影部分是WinDriver提供的组件。WinDriver提供以WinDrvr6．sys为底层的驱动栈层，直接与硬件交互，避免了用户对硬件操作的复杂性，用户开发驱动只需在应用程序中调用WinDriver用户模式的API函数。这些用户模式的函数调用 WinDriver的Kernel Module函数实现对硬件的访问。对于某些要求比较高的硬件驱动(如要求响应中断的速度足够快)，如果用户模式开发的驱动无法达到要求，开发者可以将用户模式下调试好的代码放入到WinDriver的Kernel Plugin模块中，使得驱动开发可以在用户模式下进行，而开发的驱动的效率完全可与内核模式下的驱动相媲美。

    图6为用WinDriver开发PCI驱动内部的API函数调用关系。

    通常情况下，在应用程序中不直接调用这些API函数，而是通过二次开发，将这些API函数封装在动态链接库DLL中，然后应用程序调用DLL中封装好的函数。
3．3 卫星信号仿真器应用程序框图及相应PCI驱动的关键代码分析
    根据仿真器的总体设计，需要在PC机上实现二个功能模块；
    数字信号处理模块该模块是仿真器的核心模块，实时仿真导航电文，计算卫星伪距、各通道的频率字和码控制字等。
    通信模块 该模块主要是将PC机计算得到的相关信息通过PCI传递给DSP。
    考虑到整个仿真器数据要求的实时性，通过中断函数实现PC机中的程序传输数据，当DSP需要数据时，通过RSTSRC寄存器INTREQ位写1产生一个中断信号发送给PC机，但要使该中断有效，必须要求主机状态寄存器(HSR)中的INTAM位为0。因此在上位机程序中，初始化阶段必须把该中断使能位打开。应用程序的结构如图7所示。

    中断处理步骤如下：
    (1)应用程序打开中断使能，系统等待中断；
    (2)如果中断到来，则清除中断标志，取消中断源；
    (3)在中断函数中执行数据传输；
    (4)数据传输完后给DSP发中断，实现与DSP的握手；
    (5)重新开启中断源。
    第(2)步和第(5)步在中断使能函数中实现。
    中断响应函数的关键代码如下：

    PCI主机给DSP发中断是通过将HDCR寄存器的DSPINT位置1实现的，要注意产生该中断的有效前提条件是PCI的中断使能寄存器(PCIIEN)HOSTSW位被使能，即HOSTSW=1。
    为了便于使用PCI的驱动函数和以后驱动程序发布的需要，将驱动函数封装在动态链接库DLL中，它们中主要函数的关键代码如下：

    为了使PC机能够正确地捕获到由DSP传来的中断，在动态链接的DSP6416_IntEnable()函数中，必须设置内核模式下的中断传输命令，因为它的优先级比用户模式下的中断响应函数高，因而一旦DSP产生中断，首先执行的是内核模式下的中断传输命令。由于DSP6416内嵌PCI产生的中断属于电平敏感中断，如果不清除中断它将一直有效，这将会导致中断响应函数不断执行而死机。因此，必须在中断使能函数设置中断传输命令。在该例中，先从HSR中读取一个DWORD，然后在中断传输命令中设置CMD_MASK位。如果前面从HSR中读出的值为0x04，则屏蔽DSP所产生的中断，否则不执行屏蔽命令，然后在中断传输命令中向DSP的RSTSRC写入0x10清除中断。图6中用到的关闭中断使能和关闭设备2个函数可分别通过调用WinDriver中 WDC_IntDisable()，WDC_PciDe_viceClose()，WDC_DriverClose()的函数等实现。此外，调用这些函数之前要判断中断是否存在，设备是否打开，否则会出现严重错误。
3．4 卫星信号仿真器实验验证
    设置卫星信号仿真器场景：用户位置为北纬60°00'00"，东经100°00'00"，高程300 m，静止状态。GG24接收机的解算结果如图8所示。

    GG24接收机解算结果是北纬59°59'59．867 52"，东经99°59'57．636 24"，高程为308．02 m，与设置的场景，即北纬60°00'00"，东经100°00'00"，高程300 m相当吻合。因此，这说明了仿真器的正确性和有效性。

4 结 语
    在此设计的基于DSP6416内嵌PCI数据传输硬件平台和驱动开发方案已用于多模卫星信号仿真器中，该方案数据传输稳定，速度快(可达115 MB／s)，采用WinDriver软件工具包开发DSP6416内嵌的PCI设备驱动程序，不但可以极大地缩短开发周期，而且还提高了卫星信号仿真器的开发效率和整体性能。