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。 TigerSHARC系列DSP芯片与外部进行数据通信主要有两种方式：总线方式和链路口方式。链路口方式更适合于FPGA与DSP之间的实时通信。随着实时信号处理运算量的日益增加，多DSP并行处理的方式被普遍采用，它们共享总线以互相映射存储空间，如果再与FPGA通过总线连接，势必导致FPGA与DSP的总线竞争。同时采用总线方式与FPGA通信，DSP的地址、数据线引脚很多，占用FPGA的I／O引脚资源太多。而采用链路口通信不但能有效缓解DSP总线上的压力，而且传输速度快，与FPGA之间的连线相对也少得多，故链路口方式更适合于FPGA与DSP之间进行实时数据通信。
参考文献[3]给出TS201与TS101的性能比较，但没有针对两者的链路口进行详细介绍，本文对两者的链路口进行了细致的分析和比较。文献[4]所设计的采集系统中，DSP与FGA的通信仅限于FPGA发、TS101收的单工通信；文献[5]给出了FPGA内部没计TS101链路口的框图，但只给出了简单的介绍，无法给设计者以参考。本文采用Altera公司Cyclone系列芯片EP1C12实现了与TS101／TS201两种芯片的链路口的双工通信，并给出了具体的设计实现方法。其中TS101的设计已经成功应用于某信号处理机中。
1 TS101和TS201的链路口分析与比较
TS101和TS210都是高性能的浮点处理芯片，目前两者都广泛应用于复杂的信号处理领域。TS201是继TS101之后推出的新型芯片，核时钟最高可达600MHz，其各类性能也相对优于TS101，而且TS201的链路口采用了低压差分信号LVDS技术，功耗更低、抗噪声性能更好。表1列出了两种芯片链路口性能的详细比较，其中TS101核时钟工作在250MHz，TS201核时钟工作在500MHz。
限于篇幅，TS101、TS201的链路口结构请参阅参考文献[1][2]。由于TS101收发端共用一个通道，所以只能实现半双工通信。而TS201将收发端做成两个独立通道，可实现全双工通信，理论上数据的传输速率可以提高一倍。虽然TS201的链路口收发通道独立，但实际上二者的收发机制大体相同，都是靠收发缓存和移位寄存器收发数据。然而FPGA内部的链路口设计不必拘泥于此，只要符合链路口通信协议并达成通信即可。
2 FPGA与DSP的链路口通信
2.1 链路口通信协议分析
TS101的链路口共有11根引脚，通过8根数据线(LxDAT[7..0]，这里x可以是0、1、2或3，代表TS101或TS201的0号～3号链路口中的一个，以下同)进行数据传输，并采用3根控制线(LxCLKOUT、LxCLKIN、LxDIR)来控制数据传输时钟、通信的握于和数据传输方向。其中LxDIR为通知链路口当前工作状态是接收或发送的输出引脚，可悬空不用。TS201的链路口共24根引脚，接收和发送各12根引脚，通过LVDS形式的数据线(LxDAT_P／N[3..0])和时钟线(LxCLK_P／N)进行数据传输，并采用LxACK和LxBCMP#(‘#’代表信号低有效)来通知接收准备好和数据块传输结束。
采用FPGA与DSP通过链路口通信的关键是令双方通信的握手信号达成协议，促使数据传输的进行。实际上，如果考虑TS201的LVDS信号形式已经被转换完毕，则TS101和TS201链路口传输的数据形式是一样的，都是时钟双沿触发的DDR数据，并且每次传输的数据个数都是4个长字(即128bit)的整数倍。鉴于以上两种芯片链路口数据的共同点，所以采用FPGA与两类芯片通信时，接收和发送的数据缓存部分的设计应该是很相近的，只是通信握手信号部分的设计应当分别加以考虑。下面分别给予介绍。
2.2 基于FPGA的TS101链路口设计
图1给出了FPCA与TS101进行半双工链路口通信的设计(对LxCLKOUT、LxCLKIN均以FPCA的角度来叙述)，该接口由接收、控制和发送三部分组成。本设计FPGA时钟为40MHz，TS101核时钟上作在250MHz，链路口时钟设定为DSP核时钟的8分频，FPGA与DSP的实际数据传输率为62.5MBps。
(1) 接收部分：由编码和缓存两部分组成。由于链路口的数错是DDR形式的，不方便数据的缓存，本文采用QuartusII Megafunctions中的altddio模块将上升沿数据和下降沿数据分开。注意这个模块的下降沿数据输出会滞后上升沿数据1个时钟周期，输出时应该用链路口时钟信号(LxCLKIN)通过D触发器来将数据对齐。该模块的inclock一定要用链路口时钟信号以保证数据的正确读取，如图2所示。又由于DSP内部数据是32位的长字，所以写入接收缓存前应该用一组D触发器将数据进行32bit对齐，这里注意DSP链路口先传输32位数据中的低8位。
(2) 控制部分：由令牌转换模块和控制模块组成，是整个设计的核心部分，完成对各部分的控制和与FPGA内部进行通信(通过CTL一组信号)。TS101的链路口通信握手是靠两根时钟信号验证令牌指令完成，即当发送端驱动原本为高的LxCLKOUT信号为低电平，以此作为令牌请求向接收端发出。如果接收端准备好接收，则接收端驱动LxCLKIN为高；如果令牌发出6个时钟周期后，LxCLKIN信号仍然为高，则肩动数据传输(以上时钟信号都以发送端视角分析)。本设计中，令牌转换模块负责验证令牌和发送令牌。这里要注意，由于用来验证令牌低电平个数的时钟信号(PLL_32ns)是由FPGA时钟信号(CLK)通过锁相环倍频得到，与DSP链路口时钟异步，故验证令牌时，当计数器计到5个低电平时即可认为已达成通信握手，否则可能会丢失数据。达成握手后通知控制模块向接收或发送缓存输出控制信号，其中接收控制信号包括写缓存时钟和写使能。发送控制信号包括读缓存时钟、读使能和DSP中断信号(DSP_IRQ)，其中写缓存时钟通过对链路口时钟分频得到，读缓存时钟由锁相环倍频FPGA工作时钟得到。
(3) 发送部分：与接收部分类似，也南编码和缓存两部分组成，相应的设计基本相同，这里不作过多介绍。由于DSP链路口每次传输数据个数的最小单位是4个32位字，即8个链路时钟周期，所以发送时钟廊该每8个时钟周期一组，以凑够128bit，避免传输错误，其中多余无效的数据DSP可以自行舍去。发送部分采用DSP外部中断方式而不是链路口中断方式通知DSP接收数据。
TS101的链路口通信协议要求链路口接收端在传输启动一个周期后，将其LxCLKOUT拉低，若可以继续接收，在下一个周期再将其拉高，以此作为连接测试。实际运行中发现，当FPGA接收数据时，可将LxCLKOUT信号一直驱动为高，不必做特殊的连接测试也能正确接收数据。另外，发送链路口数据时，由于发送缓存中已经对应仔好了要发送的8bit数据，故可以使用对FPGA时钟信号(CLK)倍频得到的PLL_16ns信号来读发送缓存，读出的数据即链路口发送数据，再对PLL_16ns信号的下降沿分频得到链路口的发送时钟信号。 |
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