基于DSP內(nèi)嵌PCI總線的衛(wèi)星信號(hào)仿真器設(shè)計(jì)

　0 引 言

　　衛(wèi)星信號(hào)仿真器在衛(wèi)星導(dǎo)航的研究開(kāi)發(fā)中占有重要地位，特別是多模接收機(jī)和高動(dòng)態(tài)接收機(jī)的研發(fā)。多模衛(wèi)星仿真器中涉及到大量的數(shù)據(jù)傳輸，為了保證PC機(jī)和DSP之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，選擇基于PCI總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。常用的PCI開(kāi)發(fā)是采用專(zhuān)門(mén)的PCI接口芯片，但這樣系統(tǒng)就會(huì)多一塊芯片，性?xún)r(jià)比低，而TI公司TMS320C6416系列的DSP擁有內(nèi)置PCI接口，使得硬件開(kāi)發(fā)難度降低和主機(jī)對(duì)DSP資源訪問(wèn)更加透明。提出一種基于TMS320C6416系列DSP的PCI總線衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器的硬件平臺(tái)以及相應(yīng)的PCI接口電路設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方案

　　1．1 系統(tǒng)總體結(jié)圖

　　圖1是仿真器的總體結(jié)構(gòu)框圖，其核心器件包括DSP6416，SDRRAM，F(xiàn)LASH，FPGA，D／A，時(shí)鐘以及PC機(jī)。其中，D／A完成數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換；SDRAM作為外設(shè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)由PC機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；FLASH用于在系統(tǒng)掉電后保存DSP的運(yùn)行程序；FP-GA作為仿真器的另一核心部件，主要完成與DSP的通信、信號(hào)的合成和D／A的控制；PC機(jī)主要完成仿真器的數(shù)字信號(hào)處理與計(jì)算好的數(shù)據(jù)在PCI接口和DSP間的傳遞。DSP作為主機(jī)和FPGA之間的通信橋梁，主要完成兩方面的工作：一是定時(shí)接收PC機(jī)計(jì)算的各種控制字和電文，按照時(shí)序要求，將各通道的控制字發(fā)送給FPGA；二是由于PC機(jī)計(jì)算是雙精度浮點(diǎn)型的，而FPGA中只能以整型數(shù)據(jù)計(jì)算，這樣必然會(huì)造成兩者相位累加值的差異，隨著時(shí)間的流逝，誤差會(huì)越來(lái)越大，必須加以校正；但如果要將FPGA累加的數(shù)據(jù)再返回到PC機(jī)進(jìn)行比較校正，在實(shí)時(shí)性上得不到保證，因此需要在DSP中實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率字的校正。

　　在設(shè)計(jì)中，將SDRAM作為DSP的片外存儲(chǔ)器，配置在EMIFA的CE0空間內(nèi)，F(xiàn)PGA與DSP通過(guò)EMI-FA接口交互數(shù)據(jù)，它配置在EMIFA的CE1和CE2空間內(nèi)。EMIFB的CE1配置成異步8位通信方式與FLASH通信。

　　1．2 DSP與PCI接口電路連接設(shè)計(jì)

　　由于DSP TMS320C6416內(nèi)部集成PCI接口，所以不需要橋接芯片，只需要設(shè)計(jì)與PCI母板之間的接口，不需要設(shè)計(jì)PCI與DSP本身之間的接口。由于仿真器是一個(gè)多電源系統(tǒng)，可以提供5 V，3．3 V，12 V的電源，所以對(duì)連接器采用多電源供電。此外，由于DSP是3．3 V系統(tǒng)，雖然它的PCI口能承受5 V電壓，但考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在DSP的PCI口和連接器之間加3個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片IDTQS32X2245，將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3．3 V電壓。由于DSP是集成的PCI接口，其電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，將DSP PCI接口的地址和數(shù)據(jù)總線直接連到IDTQS32X2245芯片的B管腳部分，將銅手指上的地址和數(shù)據(jù)總線連接到IDTQS32X2245芯片的A管腳部分，仲裁信號(hào)REQ，GNT、錯(cuò)誤報(bào)告信號(hào)PERR，SERR、字節(jié)使能信號(hào)C／BE[3：O]、接口控制信號(hào)FRAM，IRDY，STOP， IDSEL，DEVESEL也都按相同的方法連接在相應(yīng)的位置上。限于篇幅，這里僅給出DSP PCI接口部分與連接器的連接示意圖，如圖2所示。

　　2 DSP6416內(nèi)嵌PCI關(guān)鍵寄存器及其中斷機(jī)制

　　DSP6416的PCI接口支持通過(guò)主／從總線接口連接DSP到PCI主機(jī)，PCI接口端通過(guò)EDMA內(nèi)部硬件與DSP相連，它支持四種類(lèi)型PCI數(shù)據(jù)交換：從模式讀，即外部PCI主設(shè)備通過(guò)PCI接口寫(xiě)數(shù)據(jù)到DSP；從模式寫(xiě)，即外部PCI主設(shè)備通過(guò)PCI接口從設(shè)備讀數(shù)據(jù)；主模式讀，即DSP主設(shè)備通過(guò)PCI接口讀數(shù)據(jù)到外部PCI從設(shè)備；主模式寫(xiě)，即DSP主設(shè)備通過(guò)PCI接口寫(xiě)數(shù)據(jù)到外部PCI從設(shè)備。

　　PCI寄存器主要包括3類(lèi)：PCI配置寄存器、PCII／O寄存器、映射在DSP存儲(chǔ)空間作為外設(shè)的PCI寄存器。前兩類(lèi)寄存器只能被外部主機(jī)訪問(wèn)，而第三類(lèi)寄存器可以被DSP和外部PCI主機(jī)訪問(wèn)。

　　PCI配置寄存器包含標(biāo)準(zhǔn)的PCI配置信息(設(shè)備標(biāo)識(shí)，廠商標(biāo)識(shí)，分類(lèi)代碼，基址等)；PCI I／O寄存器位于PCI主機(jī)的I／O空間，主機(jī)只能在：Base1和Base2訪問(wèn)它們，PCI I／O寄存器包括HSR，HDCR，DSPP。如圖3所示，HSR寄存器表明主機(jī)的狀態(tài)，它的INTSRC位和INTAM位對(duì)于中斷處理至關(guān)重要。 INTAM位為1時(shí)，它可以屏蔽DSP發(fā)送的中斷，當(dāng)該位為0時(shí)，只要。DSP設(shè)置RSTSRC字段中的INTREQ位時(shí)，可以使能PINTA，即主機(jī)在這時(shí)可以響應(yīng)中斷。當(dāng)INTSRC位讀為0時(shí)，表示PINTA自上次清除后無(wú)效，當(dāng)讀為1時(shí)，表示PINTA處于使能狀態(tài)，該位寫(xiě)0無(wú)效，寫(xiě)1清除 PINTA的使能狀態(tài)。對(duì)于HDCR來(lái)說(shuō)，PC機(jī)通過(guò)將DSPINT位置1產(chǎn)生主機(jī)中斷。DSPP主要和Base0一起定義一段存儲(chǔ)空間。

　　PCI內(nèi)存映射外圍寄存器主要用于控制PCI接口，它可以被主機(jī)和DSP訪問(wèn)，在該寄存器中，較重要的是RSTSRC寄存器，如圖4所示。

　　DSP通過(guò)將RSTSRC寄存器中的INTREQ置1產(chǎn)生中斷；PC機(jī)和DSP通過(guò)將INTRST置1清除中斷，這一點(diǎn)在驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中至關(guān)重要，因?yàn)镈SP 產(chǎn)生的中斷屬于電平中斷類(lèi)型，如果不清除中斷，它將一直有效．這將會(huì)導(dǎo)致中斷響應(yīng)函數(shù)不斷的調(diào)用，從而導(dǎo)致死機(jī)。

　　PCI端口通過(guò)3種基址寄存器可以完全訪問(wèn)DSP的存儲(chǔ)器映射。

　　Base0：4 MB的可預(yù)存取空間，通過(guò)設(shè)置DSP頁(yè)寄存器映射所有DSP存儲(chǔ)器空間，預(yù)取讀使所有的字節(jié)有效。

　　Base1：8 MB非預(yù)取地址映射對(duì)應(yīng)于所有的DSP存儲(chǔ)空間，非預(yù)取支持字節(jié)使能。

　　Base2：PCI的16MB I／O包括I／O寄存器。

　　這3種寄存器屬于PCI配置寄存器，PCI主機(jī)可以訪問(wèn)映射在PCI存儲(chǔ)器空間4 MB的DSP存儲(chǔ)器，PCI端口包含一個(gè)PCI I／O寄存器(DSPP寄存器)從PCI地址到DSP地址的映射。當(dāng)DSP作為PCI本地總線從屬時(shí)，使用該映射模式；當(dāng)DSP上的PCI基地址寄存器被配置成一個(gè)8 MB不可預(yù)取區(qū)域時(shí)，該存儲(chǔ)空間映射為DSP內(nèi)存映射寄存器(0180 0000h)。PCI地址的22：0位與一個(gè)固定偏移相連，將Base 1訪問(wèn)映射到內(nèi)存寄存器；基地址寄存器2配置16 B I／O空間，使PCI主機(jī)用于訪問(wèn)PCI I／O寄存器。

　3 仿真器程序及驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

　　3．1 驅(qū)動(dòng)工具的選擇

　　對(duì)于開(kāi)發(fā)wDM型PCI驅(qū)動(dòng)，常用的開(kāi)發(fā)工具有三種。一是直接使用Windows DDK或者WDK工具；二是使用DriverStudio；三是使用WinDriver。第一種方式要求掌握Windows的體系結(jié)構(gòu)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)等知識(shí)，開(kāi)發(fā)難度較大；第二種方式對(duì)DDK進(jìn)行了封裝，難度雖然降低了些，但依然不小，而且由于封裝問(wèn)題，可能帶來(lái)一些Bug，有可能導(dǎo)致項(xiàng)目失??；第三種方式克服了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)周期長(zhǎng)，效率低，需具有DDK和核心態(tài)程序開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)等缺點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了ISA-BUS，PCIBUS等硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程，而且WinDriver還提供核心插件(Kerneal Plu-gin)功能，使開(kāi)發(fā)者在用戶(hù)模式下調(diào)試代碼，然后將調(diào)試無(wú)誤的代碼搬到內(nèi)核模式(Kernel Mode)中，因而使用WinDriver，具有簡(jiǎn)單、快速、高效的特點(diǎn)。

　　3．2 WinDriver的工作原理

　　圖5是WinDriver的體系結(jié)構(gòu)圖，陰影部分是WinDriver提供的組件。WinDriver提供以WinDrvr6．sys為底層的驅(qū)動(dòng)棧層，直接與硬件交互，避免了用戶(hù)對(duì)硬件操作的復(fù)雜性，用戶(hù)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)只需在應(yīng)用程序中調(diào)用WinDriver用戶(hù)模式的API函數(shù)。這些用戶(hù)模式的函數(shù)調(diào)用 WinDriver的Kernel Module函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的訪問(wèn)。對(duì)于某些要求比較高的硬件驅(qū)動(dòng)(如要求響應(yīng)中斷的速度足夠快)，如果用戶(hù)模式開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)無(wú)法達(dá)到要求，開(kāi)發(fā)者可以將用戶(hù)模式下調(diào)試好的代碼放入到WinDriver的Kernel Plugin模塊中，使得驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)可以在用戶(hù)模式下進(jìn)行，而開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)的效率完全可與內(nèi)核模式下的驅(qū)動(dòng)相媲美。

　　圖6為用WinDriver開(kāi)發(fā)PCI驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的API函數(shù)調(diào)用關(guān)系。

　　通常情況下，在應(yīng)用程序中不直接調(diào)用這些API函數(shù)，而是通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，將這些API函數(shù)封裝在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL中，然后應(yīng)用程序調(diào)用DLL中封裝好的函數(shù)。

　　3．3 衛(wèi)星信號(hào)仿真器應(yīng)用程序框圖及相應(yīng)PCI驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵代碼分析

　　根據(jù)仿真器的總體設(shè)計(jì)，需要在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)二個(gè)功能模塊；

　　數(shù)字信號(hào)處理模塊該模塊是仿真器的核心模塊，實(shí)時(shí)仿真導(dǎo)航電文，計(jì)算衛(wèi)星偽距、各通道的頻率字和碼控制字等。

　　通信模塊 該模塊主要是將PC機(jī)計(jì)算得到的相關(guān)信息通過(guò)PCI傳遞給DSP。

　　考慮到整個(gè)仿真器數(shù)據(jù)要求的實(shí)時(shí)性，通過(guò)中斷函數(shù)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)中的程序傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)DSP需要數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)RSTSRC寄存器INTREQ位寫(xiě)1產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)發(fā)送給PC機(jī)，但要使該中斷有效，必須要求主機(jī)狀態(tài)寄存器(HSR)中的INTAM位為0。因此在上位機(jī)程序中，初始化階段必須把該中斷使能位打開(kāi)。應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　中斷處理步驟如下：

　　(1)應(yīng)用程序打開(kāi)中斷使能，系統(tǒng)等待中斷；

　　(2)如果中斷到來(lái)，則清除中斷標(biāo)志，取消中斷源；

　　(3)在中斷函數(shù)中執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸；

　　(4)數(shù)據(jù)傳輸完后給DSP發(fā)中斷，實(shí)現(xiàn)與DSP的握手；

　　(5)重新開(kāi)啟中斷源。

　　第(2)步和第(5)步在中斷使能函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。

　　中斷響應(yīng)函數(shù)的關(guān)鍵代碼如下：

　　PCI主機(jī)給DSP發(fā)中斷是通過(guò)將HDCR寄存器的DSPINT位置1實(shí)現(xiàn)的，要注意產(chǎn)生該中斷的有效前提條件是PCI的中斷使能寄存器(PCIIEN)HOSTSW位被使能，即HOSTSW=1。

　　為了便于使用PCI的驅(qū)動(dòng)函數(shù)和以后驅(qū)動(dòng)程序發(fā)布的需要，將驅(qū)動(dòng)函數(shù)封裝在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL中，它們中主要函數(shù)的關(guān)鍵代碼如下：

　　為了使PC機(jī)能夠正確地捕獲到由DSP傳來(lái)的中斷，在動(dòng)態(tài)鏈接的DSP6416_IntEnable()函數(shù)中，必須設(shè)置內(nèi)核模式下的中斷傳輸命令，因?yàn)樗膬?yōu)先級(jí)比用戶(hù)模式下的中斷響應(yīng)函數(shù)高，因而一旦DSP產(chǎn)生中斷，首先執(zhí)行的是內(nèi)核模式下的中斷傳輸命令。由于DSP6416內(nèi)嵌PCI產(chǎn)生的中斷屬于電平敏感中斷，如果不清除中斷它將一直有效，這將會(huì)導(dǎo)致中斷響應(yīng)函數(shù)不斷執(zhí)行而死機(jī)。因此，必須在中斷使能函數(shù)設(shè)置中斷傳輸命令。在該例中，先從HSR中讀取一個(gè)DWORD，然后在中斷傳輸命令中設(shè)置CMD_MASK位。如果前面從HSR中讀出的值為0x04，則屏蔽DSP所產(chǎn)生的中斷，否則不執(zhí)行屏蔽命令，然后在中斷傳輸命令中向DSP的RSTSRC寫(xiě)入0x10清除中斷。圖6中用到的關(guān)閉中斷使能和關(guān)閉設(shè)備2個(gè)函數(shù)可分別通過(guò)調(diào)用WinDriver中 WDC_IntDisable()，WDC_PciDe_viceClose()，WDC_DriverClose()的函數(shù)等實(shí)現(xiàn)。此外，調(diào)用這些函數(shù)之前要判斷中斷是否存在，設(shè)備是否打開(kāi)，否則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤。

　　3．4 衛(wèi)星信號(hào)仿真器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　設(shè)置衛(wèi)星信號(hào)仿真器場(chǎng)景：用戶(hù)位置為北緯60°00'00"，東經(jīng)100°00'00"，高程300 m，靜止?fàn)顟B(tài)。GG24接收機(jī)的解算結(jié)果如圖8所示。

　　GG24接收機(jī)解算結(jié)果是北緯59°59'59．867 52"，東經(jīng)99°59'57．636 24"，高程為308．02 m，與設(shè)置的場(chǎng)景，即北緯60°00'00"，東經(jīng)100°00'00"，高程300 m相當(dāng)吻合。因此，這說(shuō)明了仿真器的正確性和有效性。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　在此設(shè)計(jì)的基于DSP6416內(nèi)嵌PCI數(shù)據(jù)傳輸硬件平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)方案已用于多模衛(wèi)星信號(hào)仿真器中，該方案數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，速度快(可達(dá)115 MB／s)，采用WinDriver軟件工具包開(kāi)發(fā)DSP6416內(nèi)嵌的PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，不但可以極大地縮短開(kāi)發(fā)周期，而且還提高了衛(wèi)星信號(hào)仿真器的開(kāi)發(fā)效率和整體性能。