FPGA与ADSP TS201的总线接口设计

    在雷达信号处理、数字图像处理等领域中，信号处理的实时性至关重要。由于FPGA芯片在大数据量的底层算法处理上的优势及DSP芯片在复杂算法处理上的优势，DSP+FPGA的实时信号处理系统的应用越来越广泛。ADI公司的TigerSHARC系列DSP芯片浮点处理性能优越，故基于这类DSP的DSP+FPGA处理系统正广泛应用于复杂的信号处理领域。同时在这类实时处理系统中，FPGA与DSP芯片之间数据的实时通信至关重要。
    TS201 DSP的外部总线接口有两种协议：慢速协议和高速流水协议。流水线协议适合与快速同步设备连接，文中采用此协议，实现DSP与FPGA之间的通信。

1 DSP流水线协议
    流水线协议用来提供流水线方式的数据传输。在该传输协议下，每个时钟周期可以传输一个数据。控制流水线协议进行数据传输的主要信号包含以下引脚：
    RD——数据传输读信号；
    WRH和WRL——数据传输写信号；
    BRST——突发方式数据传输指示；
    ADDR——地址总线；
    DATA——数据总线。
    流水线协议数据传输有两种方式：普通流水线协议和突发流水线协议。ADSP TS201的数据总线位宽可以通过SYSCON寄存器设置为32位或者64位，但是有时候需要传输的数据位宽可能是32位，64位或者128位，这样就有可能出现数据总线位宽和数据位宽不一致的情况，如果总线位宽小于数据位宽，DSP采用突发流水协议传输，否则采用普通流水线协议。
1．1 普通流水线协议
    图1是DSP使用普通流水协议，写FPGA内部寄存器时序图，流水深度为1，在时钟沿1地址线、WRx(WRH和WRL)同时有效，一个时钟周期后，在时钟沿2数据线有效，地址线、WRx无效。

1．2 突发流水线协议
    因为数据总线位宽小于数据位宽，那么它只能通过两次传输来完成。但是如果DSP没有任何指示信号，FPGA并不知道当前传输是高32位数据，还是低32位数据，这时候另外一个信号BURST就显得尤为重要了。
    引脚BRST可以用来指示多个传输过程合成一个传输过程，图2是DSP通过32位数据总线写64位数据时序图。

    由图2可以看出，数据传输机制与普通流水协议相同，只多了一个BRST指示信号，它与地址1同时有效，表示本次数据没有传输完毕，下次要传输的数据与本次传输的数据是一个整体，即BRST有效时传输是低32位数据，无效时传输的是高32位数据，这样就实现了在32位数据总线上传输64位数据，如果没有BRST信号，该过程会被认为是2次32位传输。
    同理，如果用32位数据总线传输128位数据，在传输前3个32位数据的时候，BRST信号有效，传输最后一个32位数据BRST无效。
    注意：使用流水协议时，流水深度由传输类型(读数据还是写数据)决定。在写数据传输中，流水深度固定为1；在读数据传输中，流水线深度可由用户编程决定，即由系统配置寄存器SYSCON决定，在1~4之间可变。

2 FPGA设计
    由于DSP的协议是相对固定的，FPGA只需按照协议进行设计即可，下面以DSP访问FPGA内部寄存器为例详细介绍。笔者建议采用同步设计，主要信号、输出信号都由时钟沿驱动，可以有效避免毛刺。
    为了使所设计的模块通用化，可设流水深度、数据总线位宽、寄存器位宽、寄存器地址可设。笔者建议采用参数化设计，使用参数传递语言GENERIC将参数传递给实体，在实体内部使用外if…else结构，这样在一个程序中可以包含各种情况，但不会增加逻辑的使用量。下面以个别情况为例，详细介绍。
2．1 32位数据总线，32位寄存器，写操作
    前面提过，DSP采用流水协议写FPGA时，流水深度固定为1，FPGA在前一时钟沿采到地址、WRx信号有效，在下一时钟沿就锁存数据，如图1所示，FPGA在时钟沿1采到地址总线上的地址与寄存器地址一致，WRx信号为低，写标志信号S_W_FLAG置高，由于采用同步设计，FPGA只有在时钟沿2才能采到S_W_FLAG为高，一旦采到S_W_FLAG为高，FPGA就锁存数据总线上的数据，即在时钟沿2锁存数据。
2．2 32位数据总线，32位寄存器，读操作
    与写寄存器不一样，读寄存器时流水深度在1到4之间可设，需要注意的是，为避免总线冲突，DSP不读时，FPGA数据总线应保持三态。

    如果流水深度设置为1，FPGA在前一时钟沿采到地址、RD信号有效，应确保在下一时钟沿数据已经稳定的出现在数据总线上，否则DSP不能正确读取数据，如图3所示，在时钟沿1采到地址总线上的地址与寄存器地址一致，RD信号为低，驱动数据总线，在时钟沿2数据已稳定出现在数据总线上，DSP可以读取。
    如果流水深度设置为2，FPGA在前一时钟沿采到地址、RD信号有效，应确保隔一时钟周期后，数据稳定的出现在数据总线上，这样就像写操作一样，需要加一个标志，当条件满足，标志为高，一旦标志为高，输出数据，如图4所示。

    综上所述，流水深度加深一级，FPGA就晚一个时钟周期驱动数据总线。可以看出，虽然流水深度在1~4之间可设，但是总能保证一个时钟周期传输一个数据。
2．3 32位数据总线，64位寄存器
    前面提到，突发流水协议与普通流水协议数据传输机制是一样的，只是多了一个指示信号BRST，当写操作时，FPGA如果在前一时钟沿采到地址、WRx、BRST信号有效，在下一时钟沿就锁存数据到寄存器低位，而如果在前一时钟沿采到地址、WRL有效，而BRST信号无效，在下一时钟沿就锁存数据到寄存器高位。同样，当读操作时，FPGA如果采到地址、RD、BRST信号有效，就将寄存器低位驱动到数据总线上，而如果采到地址、RD有效，BRST而信号无效，就将寄存器高位驱动到数据总线上，具体在哪个时钟沿驱动，由流水深度决定。

3 DSP设置
    ADSP　TS201与FPGA通信时，DSP是否采用流水协议，数据总线位宽，以及流水深度都可以通过系统配置寄存器SYSCON进行设置，SYSCON详细设置见文献[3]，以32位数据总线访问64位寄存器为例，一级流水，SYSCON设置为

4 结束语
    文中实现了DSP通过外部总线接口访问FPGA内部寄存器，但是如果需要传输的数据量很大，或者DSP与FPGA的时钟不同步，就不能用寄存器来实现，需要借助于双口RAM或者FIFO，读者可以在本文的基础上加以改进。