基于TMS320C6416T的CPCI信号处理板设计

作者：中国电波传播研究所 高荣山    来源:电子设计应用2009年第11期

引言

CPCI规范是由PICMG制定的一种开放工业计算机标准，用于工业和嵌入式应用。CPCI系统背板和CPCI板卡采用标准的2mm高密度气密性针孔连接器，提高了系统可靠性。在电气、逻辑和软件功能等方面，其与PCI标准完全兼容，使得基于PCI技术的丰富软件工具同样可以在CPCI系统中使用。另外，CPCI可采用IEEE 1101.11后端输出方式，使系统维护更加便捷。

CPCI板卡的尺寸分3U(100mm×160mm)和6U(160mm×233mm)两种，3U系统只提供32位/64位的PCI系统总线，6U的系统除了提供32位/64位的PCI系统总线外，还通过连接器接口J3、J4、J5实现自定义总线，可用作高速数据通信或通用输入/输出线等，适用于数字化高速处理的模块化设计应用。

本文利用TMS320C6416T内部集成的32位、33MHz PCI主/从接口，给出了6U的CPCI信号处理板卡设计方案，并对其软件设计特别是DSP的二次引导程序做了说明。

硬件设计

CPCI板卡有J1~J5五个连接器接口，其中只有J1是必须有的，为32位PCI信号接口。J2为64位扩展PCI信号。对于主控板以外的CPCI板卡，J3、J4、J5可用作用户自定义接口。本文所设计的CPCI板卡使用J1、J4、J5接口，主要由DSP、FPGA、SDRAM、FLASH等组成。板卡以TMS320C6416T为核心，通过高性能FPGA实现AD数据采集后的预处理，然后经64位宽的EMIFA总线传入 TMS320C6416T中进行数字信号处理，处理数据可通过32位PCI总线、光收发器或CPCI自定义总线传输至外部设备。CPCI的J1接口为32 位、33M的PCI接口信号，与TMS320C6416T的PCI外设连接。DSP通过EMIFA的CE0存储空间连接4片SDRAM芯片 MT48LC32M16A2，扩展成64位宽度的128MB存储器，CE1、CE2空间连接FPGA，通过J4、J5扩展。EMIFB的CE1空间通过 FLASH芯片S29LV016D扩展2MB的FLASH，用于系统的自举。系统框图如图1所示。


图1 CPCI板卡框图

处理板通过高速16位ADC芯片LTC2206实现模数转换，然后将数据传输到FPGA进行数据预处理，包括数字下变频及缓存等，之后经64位EMIFA 总线通过EDMA传到DSP中进行数字信号处理，最后通过CPCI总线传输到主机。板卡通过带选择器的时钟分配器SY89464实现内外时钟的控制和单端时钟到差分时钟的转换。FPGA的配置芯片采用EPC16，配置方式为PS，EPC和FPGA通过JTAG链实现编程。

TMS320C6416T通过SDRAM扩展256MB存储空间，SDRAM采用512Mb芯片MT48LC32M16A2，位宽为16位，通过4个此芯片扩展为64位。

EMIFB的CE1空间通过FLASH扩展BOOTROM空间，采用FLASH芯片S29AL016D实现，S29AL016D有8位byte和16位word两种方式，通过引脚byte#设置，这里使用8位数据格式。

PCI接口信号的连接如图2所示，使能TMS320C6416T的PCI接口对应PCI_en引脚置高。该接口符合PCI 2.2规范，为33M、32位的PCI主/从接口。


图2 TMS320C6416T的PCI接口电路图

上电后DSP自动从4KB的EEPROM芯片93LC66B读取配置信息。DSP与上位机可通过EDMA进行数据传输。

这里，DSP的输入时钟采用50M晶振通过零延迟时钟缓冲分配器CY2308输出，DSP的EMIFA、EMIFB外接存储器时钟为100MHz，也通过晶体振荡器连接CY2308给出。

DSP和FPGA的核电压均为1.2V，I/O电压为3.3V，1.2V通过CPCI接口的5V电压经开关电源控制芯片TPS54612实现，3.3V经LDO芯片MIC29300实现。电路如图3所示。


图3 电源电路图

软件设计

板卡的软件设计包括DSP的Boot程序、上位机的驱动程序及信号处理板需要实现的专门算法程序。这里重点介绍TMS320C6416的二次Bootloader程序设计。

TMS320C6416T的程序加载方式有HPI、ROM、Noboot、JTAG等几种，通过上电时BEA的值决定，板卡中可通过拨码开关进行设置。使用ROM加载可实现系统上电自动加载，其加载过程是：DSP内部Bootloader程序将保存于外部ROM(FLASH)中的前1K字节长度的程序自动搬到DSP内部RAM 0地址处，然后从0地址开始执行程序。由于应用程序一般都大于1K字节，所以必须用二次引导的方法。二次引导程序放在FLASH的前1K字节中，这样 DSP自动Boot完成后就从0地址开始执行二次引导程序。当所有的数据都搬运完毕后，DSP跳转到主程序的入口处，并开始执行主程序。为了实现这一引导过程，首先需要在验证好的算法程序工程文件中加入二次Boot的搬移文件，并修改CMD文件，通过CCS编译成out文件后，通过hex工具转换成.hex文件，再转变文件格式成bin二进制数据文件格式，最后通过另外的FLASH烧写工程文件写入到FLASH中。

TMS320C6416T只支持8位的ROM加载。ROM中的程序存储格式需要与芯片的大小端存储模式一致。

搬移文件Boot.asm采用汇编语言实现，实现1K代码的搬移。

CMD文件中应将Boot段分配为从地址0开始的1K空间，FLASH空间从0x64000000开始，长度也为1K，即分配为：

MEMORY
{
   BOOT  : origin = 0x00000000, len = 0x00000400
ISRAM  : origin = 0x00000400, len = 0x000ffc00 ；DSP的内部L2空间
FLASH  : origin = 0x64000000, len = 0x00000400
}

利用CCS经工程文件编译生成.out文件后，再利用其自带的Hex转换工具hex6x.exe转换成hex文件，转换时需要首先编写一个cmd命令文件， 说明需要转换的out文件名、存储器宽度、Flash起始地址和长度、hex输出文件名等。如cmd文件名为myHex_cmd，则调用格式为：

hex6x.exe myHex_Cmd.cmd

hex文件以行为单位。每行以字符 ‘:’ (0x3a)开头，以回车和换行符(0x0d、0x0a)为结束。每行开始和结束之间的所有内容都是以字符形式表现的。通过C程序将hex文件转换为 bin文件，在烧写FLASH的工程中以.h头文件保存定义为data数组。然后在CCS中通过FlashBurn的工程文件将data数据烧写到 FLASH中，即可实现DSP的上电自举。

FlashBurn工程文件主要实现S29AL016D的编程。S29AL016D的编程流程图如图4所示。


图4 FLASH写操作流程图

按照S29AL016D的命令格式和程序流程，烧写FLASH子程序如下。其中，*data为要写入的数组，nByte为数据个数。

void BurnFlash(unsigned char *data, unsigned long nBytes)
{
unsigned short timeout;
unsigned char c;
while(nBytes--)  
{
*(volatile char *)0x64000AAA = (char)0xaa;
*(volatile char *)0x64000555= (char)0x55;
*(volatile char *)0x64000AAA = (char)0xa0;
*flashnext = *data;
c = *data++;
timeout = 0;
do
timeout += 1;
while(*flashnext != c && timeout < (unsigned short)0xffff);
flashnext++;
}
}

对于上位机驱动程序，在Windows系统中，PCI设备需要专用的驱动程序，系统上电后会自动扫描PCI总线上的设备，本文通过WindRiver开发工具实现驱动程序。设置好DSP的PCI寄存器DSPP，即可直接访问DSP的预存取4M空间，设置DSP的寄存器RSTSRC的值，即可产生PCI中断。

结语

CPCI总线系统在当前工控、通信领域获得广泛应用，本文通过TMS320C6416T给出了CPCI信号处理板卡的具体设计方案，对DSP的二次引导程序的设计进行了详细说明，对CPCI板卡的设计具有很好的指导意义。

参考文献

1. TMS320C6416T Fixed-point Digital Signal Processors. Texas Instruments Incorp.2004.3

2. StratixIIGX Device Handbook. Altera Corp.2007.8

3. 任丽香,马淑芬,李方惠.TMS320C6000系列DSPs的原理与应用.北京:电子工业出版社,2000