ADSP-21062与工控机数据交换电路设计

摘 要：本文根据系统需要，在信号处理机和工控机之间使用双口SRAM，利用ADSP-21062的可编程FLAG引脚控制双口SRAM的左右端口高位地址，设计了高速数据交换电路。
关键词：PC104；双口SRAM；数据交换；CPLD

ADSP-21062是ADI公司的通用DSP芯片，它具有强大的浮点/定点数据运算能力和很高的处理速度。多片ADSP-21062可以以多种形式方便地联结成并行处理器系统，适合进行实时数据采集和处理。本文利用多片ADSP-21062设计了连续波雷达信号处理机，完成数据的处理和检测，相应的数据送到工控机，在显示器上显示数据处理结果。如果在ADSP-21062和工控机之间没有高速传输数据的接口，就会在数据传送时造成瓶颈堵塞，从而影响信号处理机的处理能力。所以ADSP-21062系统与工控机数据交换能力在该信号处理系统中很重要。

数据交换量及选定的方案
信号处理系统要求在每两个采样周期内，ADSP-21062向工控机传输数据。每次传送的数据约为1500个16bit字，信号处理系统的A/D采样频率为1KHz。因此信号处理系统的数据传输率约为1.5Mb/s。
工控机读取数据的速率也非常重要，必须高于信号处理系统的传输率，否则也会影响整个系统的数据处理能力。工控机采用的是研祥的EC3-1541，带有串口和并口，以及PC104总线供扩展。串口和并口的数据传输率太低难以满足系统的要求。工控机通过PC104总线访问SRAM时，数据吞吐率约为2.5Mb/s，满足系统要求。所以系统设计时采用了基于PC104总线的数据传输方式。
信号处理机和工控机通过PC104总线的数据传输方法有多种。例如，可以采用DMA方法，但是同时只能有一个系统访问存储器；还可利用并口锁存方法传输数据。但是这两种方法都不能获得高数据吞吐率。为了解决这个问题，可采用双口SRAM实现ADSP-21062向工控机进行高速数据传输。
系统设计时采用的双口SRAM可以是16bit或8bit。在本系统采用了8K×16bit的双口SRAM—IDT7025。系统以16bit的数据进行传输，相比8bit的方式而言，有更高的数据吞吐率。

双口SRAM的工作原理
双口SRAM的存储器阵列，有左右两套地址和数据总线。这样，位于两个端口的左右系统可以共享一个存储单元。当两个端口对双口SRAM进行读写时，存在下列可能情况：
a：不同时对相同地址单元读/写操作；
b：同时对相同地址单元读数据；
c：同时对相同地址单元写入数据。
IDT7025内部有8个独立于双端口存储单元的锁存逻辑单元，作为令牌使用，可将空间划分成1~8个区段。使用这些单元产生一个使用标志，向另一个端口表明正在使用共享的资源。左右端口在使用存取的存储单元前必须先申请令牌，获得后才可以访问相应的段。相同的逻辑锁存单元只能被一个端口使用，直到它使用完释放为止。这些锁存单元可以作为工控机的I/O口或存储单元，来实现令牌传送。

ADSP-21062系统与工控机数据交换电路
用双口SRAM的“/BUSY”信号，可以保证两个左右端口可靠的完成数据的交换。但是两个端口对相同的地址单元操作时，一个端口要插入等待周期，对于本系统而言，要求很高的数据吞吐率，插入等待周期降低了系统的吞吐率。根据令牌传送原理，可在ADSP-21062系统和工控机之间实现较快数据传送。数据的吞吐率速率一定程度上和使用双口SRAM的Semphore数目有关，数目多就能使左右两个端口同时申请相同段的概率降低，就避免了一方长时间等待令牌。但是左右双方同时想使用相同段的机会还是会出现，一方处于等待，这也会导致系统吞吐率下降。
若使左右两个端口永远不对相同的存储单元进行访问，就能提高系统的吞吐率。不能同时对相同的地址单元进行访问，只要左右两套地址的总线上的地址永不相同就可以了。基于这个思想，让左右两个端口的位地址AL12和AR12由DSP控制，并且互为相反。ADSP-21062处理器提供了4个可编程的FLAG3-0引脚，FLAG引脚是双向引脚，它的方向是输出还是输入，可以在ADSP-21062中的寄存器中配置。图1为ADSP-21062系统与工控机数据交换接口电路。FLAG0接双口SRAM的右边端口位地址AR12，把FLAG0反向后接AL11。就把双口SRAM分为上下4K×16bit的两个区，工控机和ADSP-21062对双口SRAM进行的地址空间为4K。当FLAG0=1时，ADSP-21062向双口SRAM的高半区写数据，而工控机可以从双口SRAM的低半区读数据；反之，当FLAG0=0时，ADSP-21062向双口SRAM的低半区写数据，而工控机可以从双口SRAM的高半区读数据。可见，工控机和ADSP-21062对双口SRAM的访问永远不会发生冲突。
使用一片CPLD可编程逻辑器件EPM7128S-15实现双口SRAM译码片选信号以及I/O地址选择，地址和数据选通信号。ADSP-21062的引脚FLAG2为输入脚，工控机把FLAG2作为一个I/O口对待。FLAG2占用工控机的一个I/O地址，把工控机A0~A9、/IOW和D0引入CPLD，在CPLD内部进行地址译码和I/O写信号，锁存数据实现向FLAG2脚写数据。

电路设计中应注意的问题及程序流程
图1中，工控机和双口SRAM的地址总线连接要特别注意。工控机和PC机一样，每个地址对应的存储单元只能存储一个字节的数据。若把工控机和双口SRAM的地址总线对应连接，即A11~A0分别和AL11~AL0连接，这会导致双口SRAM的一半空间不能被工控机访问。解决这个问题的方法是：使工控机只访问偶地址，即工控机的A12~A1和双口SRAM的AL11~AL0对应连接。8K字的双口SRAM地址位由DSP控制，分成了上下两个区，每区4K字节。DSP和工控机地址总线区分上下两个区，4K字节的双口SRAM映射到工控机系统内存的某一空间，占用8K字的地址空间。工控机对双口SRAM的访问采用16位方式，只对偶地址读写。FLAG2占用一个I/O口地址，它只需一根数据线，故采用8位I/O端口写方式。
ADSP-21062以DMA方式向双口SRAM写数据，DMA完成后，查询输入FLAG2脚，若为真，把FLGA0输出反向，同时通过编程FLAG1启动工控机的中断IRQ5，通知工控机读取数据，否则继续查询直到为真。图2和图3给出了ADSP-21062和工控机数据传输方面的程序流程图。DSP向双口SRAM写完一个区的数据后，要查询FLAG2引脚，看是否数据已被读走。所设计的信号处理系统是由多片DSP组成的并行系统，与工控机联系的DSP是其中的一片，它负责部分数据处理和向双口SRAM传输数据。该片DSP通知工控机读取数据后，等待其它的DSP向它发送数据并把接收到的数据做相应处理写入双口SRAM，根据前面分析工控机读取数据的能力，在这段时间内工控机应该读走了数据。因此，DSP查询FLAG2引脚时间极短。该方法可以实现很高的数据吞吐率。虽然使用双口SRAM本身的Semphore也可实现相应的功能，但是在双口SRAM的两端都要为Semphore分配地址空间，这增加了电路的复杂性。

结语
本文借助双口SRAM实现了ADSP-21062与工控机数据交换电路，满足系统需要。该方法数据传输率高、电路简单、可靠性高。■

参考文献
[1]. ADSP-21062 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADSP-21062_1055672.html.
[2]. CPLD  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD+_1136600.html.
[3]. IDT7025 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IDT7025_1935498.html.
[4]. A11 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/A11_1818106.html.
[5]. A12 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/A12_1818348.html.
[6] Analog Device inc. ADSP-21062 datasheet
[7]ADSP SHARC系列DSP应用系统设计. 电子工业出版社，2003.2
[8]IDT7025 Data Sheet. IDT