摘 要：本文介紹了基于PCI總線的DSP嵌入式多媒體系統的結構，著重討論了系統中DSP系統板的硬件結構，并簡要地闡述了該系統的應用前景。 關鍵詞：PCI總線 DSP 多媒體 嵌入式系統 1 引言 　　從1991年Intel公司首先提出PCI總線的概念，這種高性能的總線經過十多年的發展，已經成為一種非常成熟的總線結構，應用于包括聲卡、網卡和顯卡等高速外圍設備。它以33MHz的時鐘頻率操作，在32bit數據總線下，以峰值傳輸速率132MB/s進行工作，1999年發布的PCI規范2.2版，支持66MHz主頻和64bit數據通路，峰值傳輸速率可達528MB/s，適用于語音、圖形、圖像的處理和其它各類高速外設對高速數據傳輸的要求[1][5]。 　　另一方面，DSP的發展也異常迅速。TI公司繼1982年推出其第一個定點DSP-TMS32010芯片系列產品以后，相繼推出了共六代定點DSP芯片系列[2]，片上資源越來越豐富，處理能力提高了幾十倍，處理速度也從最初的5MIPS到現在的超過100MIPS,并廣泛地應用于信號處理、通信、語音、圖像和軍事等各個領域。 　　對于嵌入式系統來說，其核心是具有數據處理和系統管理能力的嵌入式微處理器，這種微處理器要對實時多任務有很強的支持能力。因此充分發揮DSP器件在數據處理和速度方面的優勢，組成嵌入式系統，可以改善嵌入式系統的實時操作特性[4]。而以PCI總線作為系統的整體組織結構，可以解決數據傳輸中的瓶頸問題，提高數據實時處理能力。 2 系統結構 　　本系統的結構與PC機系統的結構相似，如圖1所示，由一塊底板和多塊PCI插卡組成。它與PC機系統的不同之處在于它的處理器不是直接插于主板之上，而是以PCI插卡的系統板的形式出現。 　　系統中網卡選用10M/100M兼容的PCI網卡，多個嵌入式系統通過共享集線器和百兆交換機，組成百兆局域網。聲卡用于語音數據的采集，并播放從網絡上傳輸來的聲音數據。網絡上傳來的動態圖像壓縮數據經過DSP系統板的解壓縮處理，通過PCI總線傳輸到顯卡，顯卡接顯示器，用于動態圖像顯示。 　　系統底板的作用不僅僅是作為系統的支撐托架，而且為各PCI設備提供33MHz的PCI同步時鐘。由于PCI總線是同步總線，在PCI總線上的所有操作都要與PCI時鐘信號同步，因此底板上 提供的33MHz的PCI時鐘信號要為所有的PCI總線交易包括總線仲裁提供時序。但晶振的驅動能力有限，需加時鐘驅動電路。 [align=center] 圖1 系統結構圖[/align] 　　底板的另一個重要功能是提供PCI總線仲裁器，仲裁器響應各多媒體設備提出的總線使用申請，并協調各設備在總線上的操作，而不至于產生總線沖突和和過長的總線延時，從而實現PCI總線傳輸的高速度[5]。PCI總線仲裁器可由一片CPLD實現。此外底板上還要提供一些控制信號的上拉電阻，用于防止控制總線在沒有設備驅動的時候產生過量電流。 3 DSP系統板硬件結構 　　作為整個DSP嵌入式系統的核心處理單元的系統板，也是以PCI插卡的形式存在于系統之中。系統板通過PCI接口芯片掛接于PCI總線上，其功能是控制各多媒體設備之間數據傳輸和存儲。 　　其中，PCI接口芯片使用PCI9054，它具有的功能[6]： 　　● 支持PCI規范2.2版本; 　　● 具有主設備功能,支持局部總線處理器訪問PCI總線上其它設備; 　　● 局部總線模式可編程（M、C、J模式），局部總線時鐘頻率最高可達50MHz;局部總線與PCI總線之間的傳輸速率最高可達132MB/s; 　　● 具有6個零等待狀態的FIFO可用于突發傳輸; 　　● 雙路獨立的具有可編程FIFO的分散/聚集DMA通道; 　　● 具有可編程PCI中斷和局部總線中斷輸出。 　　PCI9054用于連接DSP與PCI總線，它工作在32位數據、32位地址的非數據地址復用的C模式下，控制著DSP與PCI總線上的其它設備之間數據傳輸的方式。這些傳輸方式有PCI起始方式、PCI目標方式和DMA方式。 　　PCI起始方式允許PCI9054執行PCI總線上的存儲器操作周期、I/O操作周期和配置周期，允許局部總線的處理器訪問接口芯片內部的寄存器，并通過接口芯片訪問總線上的其它設備。 　　PCI目標方式可以允許PCI總線上的其它主設備訪問PCI9054的局部總線。這種方式下，接口芯片是作為PCI總線的目標設備和局部總線的主設備。 　　PCI9054還有兩路DMA通道，通道1可以在命令模式、塊模式和分散聚集模式下工作，通道2可以在塊模式和分散聚集模式下工作，分散聚集DMA控制器允許以最少的軟件量完成PCI總線和局部總線之間多通道數據傳輸的高效管理。 　　DSP可以選用TI公司的16位定點DSP TMS320VC5409，這種DSP芯片具有如下主要特點[8]： 　　● 最快可達到10ns定點單周期執行時間（100MIPS）; 　　● 高級多總線接口，具有3個獨立的16位數據存儲器總線和1個程序存儲器總線; 　　● 擴展地址模式下，可以達到8M＊16bit的最大外部程序尋址空間; 　　● 具有16k＊16bit的片上ROM和32k＊16bit的片上DARAM，二者都可以通過寄存器和芯片管腳配置為數據存儲器或程序存儲器; 　　● 片上有16位數據地址總線的增強型8位主機接口（HPI16）; 　　● 6通道DMA控制器。 　　DSP系統板的硬件結構如圖2所示： [align=center] 圖2 DSP系統板結構[/align] 　　PCI9054與DSP的16位主機接口（HPI16）相連接[7]，DSP的16位主機接口能夠使主機（本系統中指PCI9054）通過DMA總線訪問全部DSP片上RAM，這樣PCI總線上的其它設備可以通過PCI目標方式訪問DSP內部的RAM空間。PCI9054和DSP之間能夠傳輸非復用的16位地址和數據，在數據傳輸過程中雙方都能產生中斷信號。 　　主機通過三個HPI寄存器訪問DSP芯片內32k的DARAM，當主機要讀取DSP某地址DARAM的數據時，向HPI地址寄存器（HPIA）寫入此地址，然后讀出HPI數據寄存器（HPID）的內容即可。主機寫DSP片上空間時，也先寫地址于HPIA中，再將數據寫入HPID即可完成。HPIC為HPI控制寄存器，用于存儲HPI的控制位和狀態位[3][8]。 　　圖2中串行E2PROM用于初始化PCI9054內部的配置寄存器，系統上電之后，PCI9054讀取E2PROM，將相應的數據寫進配置寄存器，完成初始化。 　　高速SRAM用于DSP脫機運行時作為高速程序存儲器，這樣才能發揮出DSP高速的優勢，因為如果DSP的程存速度較慢，導致DSP在取指令時需要加等待狀態，限制了DSP指令執行的速度。FLASH程存也用于存儲DSP的程序，它與高速SRAM的作用不同之處在于FLASH是在DSP程序運行之前暫存程序代碼的，因為本系統所選的DSP的程序存儲器只有內部掩膜ROM，雖然內部RAM可以做程序存儲器，但也只有32k字，因此需要用DSP內掩膜ROM中帶的引導程序（BOOTLOADER）將用戶引導程序通過DSP通用串口轉移到DSP內部RAM中，而用戶引導程序的作用就是將存儲在FLASH中的程序代碼轉移到高速SRAM中，然后開始執行。 　　圖中CPLD的作用一方面是作為PCI接口芯片的局部總線和DSP的主機接口之間的譯碼電路，實際上也就是作為PCI局部總線的仲裁器，它對PCI接口芯片和DSP提出的占用局部總線的請求進行仲裁，協調它們之間的邏輯關系，使局部總線上的操作順利進行。另一方面CPLD還作為DSP和FLASH程存之間的譯碼電路，由于FLASH的訪問速度比較慢，因此需要DSP加上適量的等待狀態才可以從FLASH中順利讀取程序代碼到SRAM中。 4 系統應用前景 　　這種基于DSP和PCI總線的多媒體嵌入式系統組成的百兆局域網，作為基本的高性能實時通信網絡平臺，其帶寬完全滿足動態圖像和語音壓縮數據的傳輸，可用于多媒體全數字化語言學習系統，由于這種學習系統還不多見，而且基于DSP和PCI總線并帶有視頻功能的產品尚未出現，因此，這種學習系統具有非常好的市場前景。 　　此外，這種多媒體嵌入式系統還有更廣泛的應用領域，將在視頻會議系統、視頻點播系統、高速分布式數據采集系統，以及包括軍事信息等系統在內的眾多領域直接發揮作用。 參考文獻 　　[1] Tom Shanley,Don Anderson.PCI System Architecture（Fouth Edition）.Publishing House of Electronics Industry.July 2000 　　[2] PCI 9054 Data Book v2.1.PLX Technology Inc.January 2000 　　[3] Texas Instruments TMS320VC5409/21 DSP to PCI Bus Application Note. PLX Technology Inc.June 2000 　　[4] TMS320VC5409 Data Book.Texas Instruments Incorporated.2000 　　[5] 李貴山，戚德虎.PCI局部總線開發者指南.西安：西安電子科技大學出版社，1997 　　[6] 戴明楨，周建江.TMS320C54x DSP結構、原理及應用.北京：北京航空航天大學出版社，2001 　　[7] 黃迅.基于PCI總線的DSP數據運算平臺設計。電子產品世界 2001年第5期A版 　　[8] 李哲英，駱麗，劉元盛.DSP器件為核心的嵌入式系統技術。電子產品世界 2001年第5期A版