SPORT接口的雙DSP系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信設計

關(guān)振明 ， 陳 安 ，2

（1.華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣東 廣州 510640；2.廣州現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究 院精密電子制造技術(shù)研發(fā)中心，廣東 廣州 511458）

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的廣泛應用，越來越多的設計者采用DSP芯片進行數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制。然而，在某些特定的場合，如圖像處理等，由于數(shù)據(jù)吞吐量大，可能使用單片DSP不能滿足實時性的要求，我們就需要將兩片，甚至多片DSP進行互連，組成雙DSP或多DSP并行處理系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的處理能力，降低處理時間[1]。

1 雙DSP系統(tǒng)

雙DSP系統(tǒng)[2]設計中，一般采用主從方式，即一個DSP作為主處理器，負責整個系統(tǒng)的任務調(diào)度分配、人機交互等系統(tǒng)工作；一個DSP作為從處理器/協(xié)處理器，分擔主DSP的數(shù)據(jù)處理任務，以減輕主DSP的壓力。在這里，主從DSP就需要進行通信來交換信息，主機需要把相關(guān)處理參數(shù)設置發(fā)送給從機；從機需要把相應的處理結(jié)果返回給主機。因此，在雙DSP系統(tǒng)中，主從通訊就顯得尤為重要了。

主從DSP通訊，主要需解決如下問題：

1）雙向通信問題：因為主從通信的目的就是為了進行信息交換，因此必須滿足雙向通信，才能保證信息在主從機之間交換。

2）可靠性問題：實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)必須保證能夠可靠運行，這就要求主從機之間的通信必須可靠，需要有相應的機制，才能保證系統(tǒng)運行正?？煽?。

3）任務同步問題：因為實時系統(tǒng)一直在運行，所以要保證主從機處理的是同一次采集的對象信息，不然會造成主從信息錯位，從而引起錯誤。

2 數(shù)據(jù)通信方案選擇

1）基于串行接口的雙DSP數(shù)據(jù)通訊

通過串行口進行連接是常見的系統(tǒng)內(nèi)、系統(tǒng)間通信方式，常見的串行接口包括UART、IIC、SPI[3]和SPORT口等。

串行通信具有數(shù)據(jù)線少、連接簡單方便等優(yōu)點，但是串行通信的傳輸速度，相對于并行接口和雙口RAM要慢，特別是需要進行大數(shù)據(jù)量通訊時。

2）基于并行接口的雙DSP數(shù)據(jù)通訊

像TI的DSP就具有HPI主機接口，用于進行主從DSP連接。

通過并口方式，能夠在不增加硬件的情況下，更快地進行主從通訊，甚至訪問主從DSP的內(nèi)存；但是相比串口方式，需要更多的連接線。

3）基于雙口RAM的雙DSP數(shù)據(jù)通訊

利用雙口RAM作為主從DSP的共享存儲器，具有傳輸速率高的特點，適用于大量數(shù)據(jù)交換且控制時序松散的場合。但是，該方式需要增加一個雙口RAM芯片，硬件電路和軟件設計都要比前兩種方式要復雜，成本也會增加[4]。

在這里，以雙面圖像處理系統(tǒng)為例，系統(tǒng)需要同時采集通過物體的正反兩面的圖像，并對圖像進行處理，判斷是否存在缺陷。因此，需要同時采集正反兩面的圖像，進行處理并得出結(jié)論。采用雙DSP系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)的實時性要求。我們選用ADI公司的BF531 DSP構(gòu)成主從DSP系統(tǒng)，根據(jù)任務特點，工作過程中大多數(shù)情況下只需要從機將處理結(jié)果返回給主機，通信數(shù)據(jù)量不大。因此，我們選用串行方式進行主從通信。下面將對該雙DSP主從通信系統(tǒng)進行詳細介紹。

3 接口設計

根據(jù)BF531的特點，我們選用SPORT口作為主從DSP的通信接口。

SPORT口具有以下特點[5]：

1）雙向操作：每個SPORT都有2套獨立的發(fā)送和接收引腳。

2）緩沖的發(fā)送和接收端口：每個端口都有1個數(shù)據(jù)寄存器，用以同其他DSP部件進行雙向數(shù)據(jù)傳輸；多個移位寄存器用于數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)的移入和移出。

3）時鐘：每個發(fā)送/接收端口可用外部串行時鐘，也可用自己產(chǎn)生的時鐘頻率。

4）字長：每個SPORT都支持3～32位長度的串行數(shù)據(jù)字，以最高有效位在前或最低有效位在前的格式傳送。

5）幀：無論數(shù)據(jù)字有無幀同步信號，每個發(fā)送和接收端口都能運行；幀同步信號能夠從內(nèi)部或者外部產(chǎn)生，可以高有效或低有效，要求2個脈沖寬度，可以前幀或后幀同步。

3.1 硬件設計

3.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1給出了整個圖像處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。通過圖像接口1和2，系統(tǒng)同時采集對象正反兩面的圖像，分別送到主從DSP進行處理，主從DSP處理過程中通過SPORT口通信交換信息；從機把處理結(jié)果返回給主機，主機進行信息匯總判斷，得出控制動作。

3.1.2 SPORT接口電路設計

接口電路設計如圖2所示。SPORT口是全雙工的，有兩套獨立的發(fā)送和接受引腳，可以同時發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。

主DSP的發(fā)送引腳接到從DSP對應的接收引腳，主DSP的接收引腳接到從DSP相應的發(fā)送引腳。 每對接口包括兩個傳輸數(shù)據(jù)引腳DT0PRI和DT0SEC，一個幀同步引腳TFS0和一個時鐘引腳SCLK0。

圖2 雙DSP間SPORT口通信電路Fig.2 The dual DSP SPORT mouth communication circuit

3.2 底層驅(qū)動設計

SPORT接口是ADSP－BF531上速度最快的串口，其速度最高可以達到系統(tǒng)時鐘的1/2，可以通過寫寄存器來控制波特率、幀同步和字長。

SPORT用幀同步脈沖標志每個字或包的起始，用位時鐘標志每個數(shù)據(jù)位的起始。

SPORT時鐘和幀同步可以由處理器內(nèi)核產(chǎn)生，也可從外部接收。SPORT可以小尾或大尾格式工作，字長從3Bit到32Bit[6]。

在這里，我們把SPORT口配置成時鐘由發(fā)送方產(chǎn)生，只使用主數(shù)據(jù)通道，32 Bit數(shù)據(jù)字長，DMA自動收發(fā)，中斷接受的方式。驅(qū)動代碼如下：

4 通信機制

4.1 數(shù)據(jù)幀格式

主從DSP遵循相同的幀格式，每個數(shù)據(jù)幀長度為32字節(jié)，其中第1個字節(jié)為幀頭，第31個字節(jié)為CRC校驗碼，第32個字節(jié)為幀尾。

幀頭幀尾的作用主要是在調(diào)試過程中，方便檢查通訊的數(shù)據(jù)幀是否出現(xiàn)錯幀、漏數(shù)據(jù)等問題。CRC校驗用于校驗所接收的數(shù)據(jù)是否正確。

4.2 通信過程設計

系統(tǒng)運行過程中，需要進行3次通信：

1）采圖完成，進入圖像處理時，主機要把是否需要進行圖像處理、要進行哪些圖像處理（例如特征信息有無，OCR字符識別等）的內(nèi)容告訴從機；

2）圖像處理完成時，從機要把處理結(jié)果返回給主機；

3）主機把得到的信息進行整合，要把最后的處理結(jié)果返回給從機。

為了保證主從機同步，不會出現(xiàn)信息錯位，設計了雙向通信機制，每次通信由主機發(fā)起請求或者發(fā)送命令，從機收到之后返回應答，主機收到應答后繼續(xù)往下執(zhí)行。

過程如圖3所示。

經(jīng)過測試，在100張圖像連續(xù)采圖，每85 ms進行一次圖像采集的情況下，整機系統(tǒng)通信正常運行穩(wěn)定，測試100組數(shù)據(jù)均工作正常，說明該通信機制是穩(wěn)定可靠的，符合系統(tǒng)設計要求。

4.3 通信過程優(yōu)化

在上述的通信機制里面，每次通信都是主從一來一往，由于主從機代碼的運行并非完全一致，因此常常會出現(xiàn)等待的情況，要么是從機在等待主機發(fā)送命令過來；要么是主機等待從機返回應答。這樣，就總有一部分時間耗費在等待中，雖然在滿足系統(tǒng)性能要求的情況下，并不影響系統(tǒng)運行。但是否有方法能夠進一步提高通信的效率？

進一步研究上述雙向通信機制，我們會發(fā)現(xiàn)，其實并不是所有通信數(shù)據(jù)都是有意義的，第一次通信的從機返回應答，第二次通信的主機發(fā)送請求，以及第三次通信的從機返回應答，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是沒有意義的，是否能夠簡化掉？

因為通信是通過DMA方式直接把數(shù)據(jù)緩沖到Buffer里面的，所以像第一次通信，只要主機把任務要求發(fā)送給從機，主機就可以繼續(xù)往下執(zhí)行任務代碼；從機如果執(zhí)行得比主機慢的話，數(shù)據(jù)已經(jīng)緩沖到Buffer了，直接讀取就行了，已經(jīng)執(zhí)行到了的話，則還是需要等待主機發(fā)送任務要求，也不會錯過數(shù)據(jù)。所以可以進行化簡優(yōu)化。

化簡之后的通信機制，從宏觀上構(gòu)成一次半往返通信，少了很大一塊等待時間，耗費的時間將會比原先的通信機制大大減少。由于主從機的圖圖像采集是同步進行的，考慮上這一因素，主從機還是能夠很好的同步。化簡后的通信機制如圖4所示。

圖4 主從DSP單向通信機制Fig.4 Master-slave DSP unidirectional communication mechanism

經(jīng)測試，簡化后，在100張圖像連續(xù)采圖，每85 ms進行一次圖像采集的情況下，整機系統(tǒng)通信正常，運行穩(wěn)定，測試100組數(shù)據(jù)均工作正常，說明該通信機制也是穩(wěn)定可靠的，符合系統(tǒng)設計要求。

5 測試結(jié)果

兩個測試機制都經(jīng)過大量的運行測試，每次100張連續(xù)采圖，測試100組，系統(tǒng)均穩(wěn)定可靠運行。說明兩個機制都能夠滿足系統(tǒng)要求。

兩個機制的通信時間測試結(jié)果如下：

6 結(jié) 論

通過設計SPORT接口的主從DSP系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信，雙DSP系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運行；通過對通信機制進行優(yōu)化，使得系統(tǒng)的實時性得到進一步的保障。雙DSP系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，保證實時處理同一對象的雙面圖像，并及時得出處理結(jié)果進行控制動作。隨著信號處理數(shù)據(jù)量的不斷增大，雙核或雙處理器的并行處理系統(tǒng)將會越來越多地被應用，該設計提供了有益的嘗試，并取得了不錯的效果。

[1]周濱，謝曉霞，傅其祥，等.基于多DSP的高速通用并行處理系統(tǒng)研究與設計[J].電子設計工程，2012，20（17）：175－179.ZHOU Bin，XIE Xiao-xia，F(xiàn)U Qi-xiang，et al.Design of highspeed general parallel processing system based on multi-DSP[J].Electronic Design Engineering，2012，20（17）:175－179.

[2]李瑞峰，亢雪英.基于雙DSP的防爆機器人控制器的設計[J].制造業(yè)自動化，2005（7）:43－45.LI Rui-feng，KANG Xue-ying.The design of controller of anti-riot robot based on DSP[J].Manufacturing Automation，2005（7）:43－45.

[3]毛建權(quán)，季曉勇.基于SPI的DSP與MCU雙向通信的設計與實現(xiàn)[J].科學技術(shù)與工程，2007，7（15）：3911－3918.MAO Jian-quan，JI Xiao-yong.Design and realization of mutual communication based on SPI between DSP and MCU[J].Science Technology and Engineering，2007，7（15）:3911－3918.

[4]杜金榜，鐘小鵬，王躍科多.DSP并行處理系統(tǒng)的設計與開發(fā)[J].計算機測量與控制，2006，14 （5）：658－666.DU Jin-bang，ZHONG Xiao-peng，WANG Yue-ke.Design and development of Multi-DSP parallel processing system[J].Computer Measurement&Control，2006，14（5）:658－666.

[5]陳峰.基于Blackfin DSP的數(shù)字圖像處理[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[6]AnalogDevicesInc.ADSP－BF533 Blackfin?Processor Hardware Reference[EB/OL].（2009－04）[2012－10].http://www.analog.com/static/imported-files/processor_manuals/bf533_hwr_Rev3.4.pdf.