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基于dMAX和EMIF接口的嵌入式FIFO的设计、配置及其使用
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2017-10-30
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嵌入式设备由于具有硬件可在线配置，实现灵活等特点，使得其应用越来越广泛。尤其在基于FPGA的硬件系统中应用较多，目前在许多产品中实现了嵌入式网口、嵌入式PCI/PCI-E、嵌入式USB等各种模块。但在DSP中实现嵌入式设备还比较少，一般DSP都直接集成这些设备模块，用户选择不同型号的DSP芯片以满足产品应用要求。但对于一些较为特殊的嵌入式设备，DSP也可以实现该功能。
TI公司的DSP芯片C6727B，由于其片内集成dMAX模块，使得实现嵌入式FIFO成为可能。其实现嵌入式FIFO的本质就是将DSP的片内一段RAM空间设置成FIFO空间，FIFO和外部设备的数据交换由EMIF接口完成。该FIFO的数据读写不需要DSP的CPU参与，从而提高整个系统性能，实现数据交换和数据处理的同时进行。本文以dMAX和EMIF接口的数据传输为例，介绍嵌入式FIFO的设计、配置及其使用。
dMAX及其结构
dMAX（Dual Data Movement Accelerator，双向数据传输加速器）是TI公司的DSP芯片C6727B特有的一种片内设备。应用dMAX和EMIF（External Memory Interface，外部存储器接口）可以实现片内RAM、片内和片外设备以及两个片外设备之间的数据传输。dMAX模块的内部结构如图1所示。
图1 dMAX内部结构图
从图中可以看出，dMAX主要由事件和中断处理模块、事件编码器、传输事件模块等组成。事件模块分成高优先级和低优先级两个相互独立的模块，各自有独立的事件入口和事件参数表，和CPU有独立的接口。使得dMAX可以同时处理两个不同的事件。当访问CPU端口时，MAX0的优先级高，MAX1的优先级低。dMAX能够通过执行先进的一维、二维与三维数据的存储器传输工作，从而使DSP得以专注于信号处理任务，显著提高系统性能。适合图像的子帧提取或者语音信号的子信道提取。
DSP内部的数据交换中心在dMAX的控制下，可以实现片内RAM、EMIF以及HPI接口之间的数据交换。本文介绍在dMAX控制下，实现片内RAM和EMIF接口之间的数据交换。如果DSP采用普通的异步接口方式，数据传输需要建立、选通和保持3个阶段，最少需要5个EMIF时钟（建立和保持各1个时钟，选通3个时钟）。为了保证通信的可靠性，一般采用10个EMIF时钟（建立3个时钟，保持2个时钟，选通5个时钟）。而EMIF时钟最快为133MHz；这样，采用异步接口的通信速率一般为13.3M×32b/s（采用32位数据总线宽度）。此外，异步接口数据传输必须在CPU的参与下，使用指令实现数据搬移。将占用大量的CPU开销，在很多高速的数据采集和处理中，将降低系统的整体性能。为此，采用dMAX实现嵌入式FIFO数据传输克服异步传输的缺点，其传输采用突发读写方式进行，可以连续突发读写8个数据，一共只需要20个时钟，通信速率提高为53.2M×32b/s，提高4倍读写速率。还可以采用和DMA后台运行，这样将大大降低整个系统数据读写的开销，从而可以实现更加复杂和可靠的算法处理。
嵌入式FIFO设计
嵌入式FIFO的设计主要就是控制FIFO的7个参数。这7个参数分别为基地址、空间大小、空标志、满标志、错误标志、读指针和写指针。它们之间的关系如图2所示。
图2 FIFO结构示意图
基地址和空间大小用于规划出一段内存空间，该内存空间用于FIFO设备，并被FIFO设备保护起来，使得其他设备和程序不能访问该空间。为了便于操作方便，空间大小一般为2的整数次幂，但不做要求。具体到C6727B型号的DSP，空间大小最大为1M个元素，元素大小可以是8位、16位或者32位数据，不能为其他类型的数据。基地址可以为内存空间的任何一个地址，同样为了操作方便，一般为空间大小的边界点。例如，8个元素的FIFO，其基地址一般为XXXXX000b，也就是地址的低3位为0，基地址就肯定为8的整数次。同样，64个元素的FIFO，其低6位为0。基地址和空间大小的特殊要求避免访问时的地址跨越多页问题，可以提高FIFO的访问速度。
空标志和满标志用于表示FIFO的存储状态。读指针和写指针用于表示读写的当前地址。错误标志表示对FIFO的错误操作。当FIFO处于满标志情况下仍然写FIFO，或者FIFO处于空标志情况下仍然读FIFO，FIFO都将终止当前操作，并将错误标志置位。
FIFO的写操作只有一种工作方式，即每次写一个新的数据，写指针加1，直到写满。而FIFO读操作有两种工作方式，分别为标准操作和多阶延迟（Multi-tap Delay Transfer）操作。标准操作和写操作一样。多阶延迟操作一般用于滤波处理，当需要对输入信号进行滤波处理时候，每次希望从FIFO读取一段窗口的数据，进行滤波处理，数据窗口仍然只移动一个数据。在标准操作情况下，如果读取一段窗口的数据，FIFO则将该段窗口的数据全部弹出。多阶延迟操作则只弹出一个数据。该操作方法对语音或者AD采样数据的平滑、FIR等滤波非常适用。需要注意的是，多阶延迟操作的数据窗大小需要设置，如果FIFO存储的数据个数小于数据窗，FIFO则终止当前操作，并给出错误标志。
系统硬件结构
C6727B和其他DSP有一个较大的区别，就是C6727B不再提供专门的外部中断引脚，而是采用GPIO引脚和dMAX配合使用，通过寄存器的设置将GPIO引脚配置成外部中断引脚。本文为了实现FIFO的实时操作，一旦外设向FIFO写入数据，即发出中断信号到DSP的CPU，通知CPU读取数据。为此，需要使用1个外部中断引脚，将C6727B的音频串口的AXR［8］配置成通用的GPIO引脚，并在dMAX中设置成中断引脚。此时需要将音频串口的CONFIGMACSP0寄存器设置为0x0001，如图3所示。此时音频串口不能再作为普通的音频口使用，而是配置成IO接口。
TI公司的DSP芯片C6727B，由于其片内集成dMAX模块，使得实现嵌入式FIFO成为可能。其实现嵌入式FIFO的本质就是将DSP的片内一段RAM空间设置成FIFO空间，FIFO和外部设备的数据交换由EMIF接口完成。该FIFO的数据读写不需要DSP的CPU参与，从而提高整个系统性能，实现数据交换和数据处理的同时进行。本文以dMAX和EMIF接口的数据传输为例，介绍嵌入式FIFO的设计、配置及其使用。
dMAX及其结构
dMAX（Dual Data Movement Accelerator，双向数据传输加速器）是TI公司的DSP芯片C6727B特有的一种片内设备。应用dMAX和EMIF（External Memory Interface，外部存储器接口）可以实现片内RAM、片内和片外设备以及两个片外设备之间的数据传输。dMAX模块的内部结构如图1所示。
图1 dMAX内部结构图
从图中可以看出，dMAX主要由事件和中断处理模块、事件编码器、传输事件模块等组成。事件模块分成高优先级和低优先级两个相互独立的模块，各自有独立的事件入口和事件参数表，和CPU有独立的接口。使得dMAX可以同时处理两个不同的事件。当访问CPU端口时，MAX0的优先级高，MAX1的优先级低。dMAX能够通过执行先进的一维、二维与三维数据的存储器传输工作，从而使DSP得以专注于信号处理任务，显著提高系统性能。适合图像的子帧提取或者语音信号的子信道提取。
DSP内部的数据交换中心在dMAX的控制下，可以实现片内RAM、EMIF以及HPI接口之间的数据交换。本文介绍在dMAX控制下，实现片内RAM和EMIF接口之间的数据交换。如果DSP采用普通的异步接口方式，数据传输需要建立、选通和保持3个阶段，最少需要5个EMIF时钟（建立和保持各1个时钟，选通3个时钟）。为了保证通信的可靠性，一般采用10个EMIF时钟（建立3个时钟，保持2个时钟，选通5个时钟）。而EMIF时钟最快为133MHz；这样，采用异步接口的通信速率一般为13.3M×32b/s（采用32位数据总线宽度）。此外，异步接口数据传输必须在CPU的参与下，使用指令实现数据搬移。将占用大量的CPU开销，在很多高速的数据采集和处理中，将降低系统的整体性能。为此，采用dMAX实现嵌入式FIFO数据传输克服异步传输的缺点，其传输采用突发读写方式进行，可以连续突发读写8个数据，一共只需要20个时钟，通信速率提高为53.2M×32b/s，提高4倍读写速率。还可以采用和DMA后台运行，这样将大大降低整个系统数据读写的开销，从而可以实现更加复杂和可靠的算法处理。
嵌入式FIFO设计
嵌入式FIFO的设计主要就是控制FIFO的7个参数。这7个参数分别为基地址、空间大小、空标志、满标志、错误标志、读指针和写指针。它们之间的关系如图2所示。
图2 FIFO结构示意图
基地址和空间大小用于规划出一段内存空间，该内存空间用于FIFO设备，并被FIFO设备保护起来，使得其他设备和程序不能访问该空间。为了便于操作方便，空间大小一般为2的整数次幂，但不做要求。具体到C6727B型号的DSP，空间大小最大为1M个元素，元素大小可以是8位、16位或者32位数据，不能为其他类型的数据。基地址可以为内存空间的任何一个地址，同样为了操作方便，一般为空间大小的边界点。例如，8个元素的FIFO，其基地址一般为XXXXX000b，也就是地址的低3位为0，基地址就肯定为8的整数次。同样，64个元素的FIFO，其低6位为0。基地址和空间大小的特殊要求避免访问时的地址跨越多页问题，可以提高FIFO的访问速度。
空标志和满标志用于表示FIFO的存储状态。读指针和写指针用于表示读写的当前地址。错误标志表示对FIFO的错误操作。当FIFO处于满标志情况下仍然写FIFO，或者FIFO处于空标志情况下仍然读FIFO，FIFO都将终止当前操作，并将错误标志置位。
FIFO的写操作只有一种工作方式，即每次写一个新的数据，写指针加1，直到写满。而FIFO读操作有两种工作方式，分别为标准操作和多阶延迟（Multi-tap Delay Transfer）操作。标准操作和写操作一样。多阶延迟操作一般用于滤波处理，当需要对输入信号进行滤波处理时候，每次希望从FIFO读取一段窗口的数据，进行滤波处理，数据窗口仍然只移动一个数据。在标准操作情况下，如果读取一段窗口的数据，FIFO则将该段窗口的数据全部弹出。多阶延迟操作则只弹出一个数据。该操作方法对语音或者AD采样数据的平滑、FIR等滤波非常适用。需要注意的是，多阶延迟操作的数据窗大小需要设置，如果FIFO存储的数据个数小于数据窗，FIFO则终止当前操作，并给出错误标志。
系统硬件结构
C6727B和其他DSP有一个较大的区别，就是C6727B不再提供专门的外部中断引脚，而是采用GPIO引脚和dMAX配合使用，通过寄存器的设置将GPIO引脚配置成外部中断引脚。本文为了实现FIFO的实时操作，一旦外设向FIFO写入数据，即发出中断信号到DSP的CPU，通知CPU读取数据。为此，需要使用1个外部中断引脚，将C6727B的音频串口的AXR［8］配置成通用的GPIO引脚，并在dMAX中设置成中断引脚。此时需要将音频串口的CONFIGMACSP0寄存器设置为0x0001，如图3所示。此时音频串口不能再作为普通的音频口使用，而是配置成IO接口。
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