機(jī)載超寬帶合成孔徑雷達(dá)(UWB SAR)具有穿透葉簇和淺地表對(duì)隱蔽目標(biāo)探測(cè)成像的能力，其軍事應(yīng)用潛力巨大，是未來(lái)雷達(dá)的一個(gè)發(fā)展方向。但是UWB SAR回波的數(shù)據(jù)量達(dá)到數(shù)百萬(wàn)字節(jié)，同時(shí)成像所需的運(yùn)算量達(dá)到數(shù)GFLOPS[1]。單片DSP的處理能力明顯不足，所以采用多片高性能的DSP共同完成任務(wù)，而如何實(shí)現(xiàn)多片DSP間互聯(lián)通信又成為一大難點(diǎn)。本文DSP選用的是ADI公司的ADSP-TS201，但由于TS201鏈路口的數(shù)目有限，無(wú)法使所有DSP都直接通過(guò)鏈路口相連，所以需要配合其他的方法來(lái)解決DSP間的通信問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[2]介紹了如何在8片TS201和1片FPGA組成的系統(tǒng)中用FPGA實(shí)現(xiàn)8片DSP的互訪。該設(shè)計(jì)中，訪問(wèn)是基于4字命令包，通過(guò)讀寫(xiě)、設(shè)備狀態(tài)、目的地址和源地址以及優(yōu)先級(jí)等的判斷，完成DSP之間的互訪；FPGA和DSP通過(guò)總線的方式連接；FPGA完成原始回波數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。其缺點(diǎn)是，通信協(xié)議復(fù)雜，必須不停地修改命令包；訪問(wèn)有固定的優(yōu)先級(jí)，有時(shí)會(huì)很慢，效率低；用總線的方式連接容易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。
    針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種在8片DSP和2片F(xiàn)PGA構(gòu)成的系統(tǒng)中通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)DSP之間廣播通信的方案。由于該系統(tǒng)特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，原始回波數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)已確定為通過(guò)TS201的鏈路口完成，而控制數(shù)據(jù)流和運(yùn)動(dòng)測(cè)量參數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及對(duì)DSP程序運(yùn)行的監(jiān)控卻成為一大瓶頸。為此，本文設(shè)計(jì)了在其中的一片F(xiàn)PGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)多DSP間有效互聯(lián)的方案。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)中的信號(hào)處理板主要用于UWB SAR的實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)處理，DSP與FPGA的連接示意圖如圖1所示。DSP2~DSP7主要處理回波數(shù)據(jù)流，成像數(shù)據(jù)處理需要兩塊這樣的板子：一塊做距離向處理，另一塊做方位向處理。FPGA2的主要任務(wù)：(1)方便主機(jī)通過(guò)CPCI總線對(duì)DSP進(jìn)行程序的加載、程序運(yùn)行的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和實(shí)時(shí)運(yùn)算結(jié)果的顯示；(2)在飛行過(guò)程中，當(dāng)飛行的速度、天線的姿態(tài)、工作模式等參數(shù)改變時(shí)，可以方便及時(shí)地將參數(shù)信息廣播到DSP中。該處理板的具體結(jié)構(gòu)以及各模塊的功能可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。本文的關(guān)鍵是如何通過(guò)FPGA2實(shí)現(xiàn)DSP2~DSP7之間的互聯(lián)通信。由于DSP2與DSP5、DSP3與DSP6、DSP4與DSP7已經(jīng)通過(guò)鏈路口兩兩相連，所以它們之間的通信不再需要經(jīng)FPGA2的轉(zhuǎn)發(fā)，故需要與上述6片DSP中某片DSP通過(guò)FPGA2實(shí)現(xiàn)通信的DSP只有4片，例如對(duì)于DSP2，需要通過(guò)FPGA2與其通信的4片DSP為DSP3、DSP4、DSP6、DSP7。

    TS201是目前業(yè)界公認(rèn)的高性能DSP處理器之一，有著很高的數(shù)據(jù)處理速度。FPGA2選擇Xilinx公司的XC4VLX25，該類(lèi)型的FPGA比較適合邏輯控制和做數(shù)據(jù)接口。TS201共有4個(gè)鏈路口，都采用LVDS(Low Voltage Differential Signaling)技術(shù)；每個(gè)鏈路口包含發(fā)送和接收兩個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道都有4對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線、1對(duì)差分時(shí)鐘、2個(gè)控制信號(hào)，共24根線；鏈路口在每個(gè)通道（發(fā)送或接收）都可以通過(guò)1 bit或者4 bit模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，本文采用4位通信模式[4]。
2 多DSP數(shù)據(jù)流高效廣播設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2所示。對(duì)每片DSP，F(xiàn)PGA都有一對(duì)完全一樣的接收和發(fā)送模塊，DSP鏈路口發(fā)送來(lái)的差分?jǐn)?shù)據(jù)依次經(jīng)過(guò)IBUFDS模塊和IDDR模塊，最后暫存于RAM中。在多個(gè)狀態(tài)機(jī)的控制調(diào)度下，一次或多次將數(shù)據(jù)從RAM中讀出，然后發(fā)送到相應(yīng)的發(fā)送模塊。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先暫存于FIFO中，然后依次經(jīng)過(guò)ODDR模塊和OBUFDS模塊發(fā)送到對(duì)應(yīng)的DSP中。

    設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確調(diào)度而不出現(xiàn)錯(cuò)發(fā)或漏發(fā)現(xiàn)象，特別是當(dāng)一片DSP向其他所有DSP廣播數(shù)據(jù)和其他所有DSP同時(shí)向一片DSP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，不出現(xiàn)錯(cuò)發(fā)或漏發(fā)現(xiàn)象。
2.1 數(shù)據(jù)接收、發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)
    要在FPGA中實(shí)現(xiàn)多DSP的互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，首先必須使FPGA和DSP可以正確地互相收發(fā)數(shù)據(jù)。由于TS201的鏈路口有自己的通信協(xié)議，所以只要在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)TS201的鏈路口通信協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)FPGA與TS201之間的雙向通信。TS201的具體通信協(xié)議，可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。
2.1.1 接收模塊
    FPGA接收模塊如圖3所示。在接收模塊中，先將差分?jǐn)?shù)據(jù)和差分時(shí)鐘分別通過(guò)IBUFDS模塊轉(zhuǎn)換為單端的數(shù)據(jù)和單端時(shí)鐘[5]；再將該單端數(shù)據(jù)分別送入到4個(gè)IDDR，單端時(shí)鐘經(jīng)過(guò)BUFG模塊后輸出的bufg_clkout作為IDDR的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘；最后將IDDR模塊輸出的完整8 bit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在輸入輸出寬度為8 bit的雙端口RAM中。塊發(fā)送完畢，信號(hào)bcmpi延遲一個(gè)周期后和bufg_clkout一起經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘選擇器后輸出時(shí)鐘mux_clkout作為RAM的寫(xiě)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。這樣，可以保證寫(xiě)入RAM的數(shù)據(jù)深度正好是DSP的發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，而不再需要去考慮數(shù)據(jù)寫(xiě)入深度控制的問(wèn)題。

2.1.2 發(fā)送模塊
      FPGA接收模塊如圖4所示。在發(fā)送模塊中，要發(fā)送的數(shù)據(jù)先存于輸入輸出寬度為8 bit的FIFO中，再將FIFO的輸出數(shù)據(jù)依次經(jīng)過(guò)4個(gè)ODDR和4個(gè)OBUFDS，最后得到差分輸出數(shù)據(jù)。在控制模塊CONTROL中，當(dāng)數(shù)據(jù)全部寫(xiě)入FIFO、acki有效且FIFO不空時(shí)，F(xiàn)IFO讀使能rd_en和clkoe信號(hào)有效。將clkoe作為ODDR的正極輸入（負(fù)極始終為低電平）得到發(fā)送時(shí)鐘[5]，再經(jīng) OBUFDS得到差分輸出時(shí)鐘。在控制模塊CONTROL中同時(shí)會(huì)給出塊發(fā)送完畢信號(hào)bcmpo。
    在Virtex4中提供了強(qiáng)大的數(shù)字時(shí)鐘管理器（DCM），它可以實(shí)現(xiàn)延遲鎖相環(huán)、數(shù)字頻率合成器、數(shù)字移相、數(shù)字?jǐn)U頻等功能。本文用到兩個(gè)DCM，其中一個(gè)作為倍頻器，將FPGA中的系統(tǒng)時(shí)鐘從60 MHz倍頻到150 MHz；另外一個(gè)作為移相器，將倍頻后的時(shí)鐘移相90°，從而得到需要的0°時(shí)鐘clk_0_150 MHz和90°時(shí)鐘clk_90_150 MHz(見(jiàn)圖4)。
2.2 數(shù)據(jù)調(diào)度狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)
    若只完成接收模塊和發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)，則只能實(shí)現(xiàn)FPGA與DSP的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，還不能實(shí)現(xiàn)多片DSP之間的互聯(lián)通信，所以還需要有一個(gè)數(shù)據(jù)的合理調(diào)度過(guò)程。
2.2.1 DSP數(shù)據(jù)報(bào)頭
    為了使數(shù)據(jù)調(diào)度變得容易，本設(shè)計(jì)定義了DSP發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)頭，如圖5所示。位0~7表示信宿，位0為1，表示該數(shù)據(jù)塊請(qǐng)求發(fā)送到CPCI自定義接口，用于板間通信；位1為1，表示請(qǐng)求發(fā)送到9656；位2~7為1，分別表示請(qǐng)求發(fā)送到DSP2~DSP7；若為0，則表示不發(fā)送到任何器件。位8、9、10表示信源，000表示信源為CPCI自定義接口，001表示信源為9656，010~111分別表示信源為DSP2~DSP7；位11~31暫時(shí)保留，為以后擴(kuò)展功能時(shí)使用。

    當(dāng)FPGA接收到來(lái)自于DSP的數(shù)據(jù)時(shí)，首先要將該數(shù)據(jù)塊的前8 bit提取出來(lái)，用以確定目的DSP，并將該8 bit數(shù)據(jù)稱(chēng)之為請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)require。
2.2.2 應(yīng)答請(qǐng)求信號(hào)狀態(tài)機(jī)
    在2.2.1節(jié)中，提取數(shù)據(jù)報(bào)頭的前8 bit，得到一個(gè)8 bit require信號(hào)。在FPGA的程序中，對(duì)應(yīng)每片DSP本文都設(shè)計(jì)有一個(gè)這樣的狀態(tài)機(jī)，用于對(duì)其他DSP送來(lái)的require信號(hào)進(jìn)行判斷，然后給出相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)allow，表示允許發(fā)送，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6(a)所示。該狀態(tài)機(jī)基于令牌和輪詢(xún)的思想，并遵循以下原則：
    (1)按照require1~require4依次輪詢(xún)，發(fā)現(xiàn)滿足條件的則給與令牌。
    (2)令牌不能同時(shí)擁有，令牌被持有后就將令牌信息置為無(wú)效。
    (3)若令牌被持有則輪詢(xún)暫停，等待令牌被釋放，即重置為有效。
    (4)當(dāng)塊發(fā)送完畢信號(hào)、bcmpo信號(hào)為低電平時(shí)，釋放令牌。
    (5)令牌被釋放后則繼續(xù)輪詢(xún)尚未持有令牌的，如是重復(fù)。
    需要說(shuō)明的是，當(dāng)bcmpo為低時(shí)雖然也表示數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢，但低電平只維持4個(gè)周期，而且當(dāng)有多片DSP向其中一片DSP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，bcmpo會(huì)被多次拉低來(lái)指示某片DSP需要發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。所以與鏈路口協(xié)議中的bcmpo已經(jīng)不是一回事了，只是重名而已。本設(shè)計(jì)的令牌為avail。
2.2.3 RAM讀地址狀態(tài)機(jī)
    在FPGA的程序中，對(duì)應(yīng)每片DSP本文也有另外一個(gè)狀態(tài)機(jī)，用于對(duì)送來(lái)的allow信號(hào)進(jìn)行判斷，給出相對(duì)應(yīng)的RAM的讀地址addrb和FIFO準(zhǔn)寫(xiě)信號(hào)wr_en，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6（b）所示。所遵循的原則與2.2.2的狀態(tài)機(jī)幾乎一樣。不同的地方在于：
    (1)當(dāng)對(duì)應(yīng)bcmpi為低電平時(shí)，信號(hào)ram_rd_en為高（即DSP數(shù)據(jù)發(fā)送完了才能從RAM中讀出數(shù)據(jù)），狀態(tài)機(jī)開(kāi)始工作。
    (2)令牌為flag_tx_achiv信號(hào)，addrb等于DSP發(fā)送數(shù)據(jù)深度M時(shí)(即在RAM中的數(shù)據(jù)完全讀出后)，釋放令牌。
    (3)只有持有令牌期間，對(duì)應(yīng)的信號(hào)addrb開(kāi)始累加，wr_en為高電平。

2.2.4 FIFO寫(xiě)使能和輸入數(shù)據(jù)
    對(duì)應(yīng)每片DSP都有這樣一個(gè)模塊，用于將輸入的成對(duì)信號(hào)wr_en和RAM的輸出數(shù)據(jù)ram_dout作出判斷，得到FPGA發(fā)送模塊中FIFO寫(xiě)使能和輸入數(shù)據(jù)。由于前面狀態(tài)機(jī)控制的結(jié)果，這里輸入到模塊（與某片DSP相對(duì)應(yīng)）的4個(gè)wr_en信號(hào)不可能同時(shí)為高，所以當(dāng)某個(gè)wr_en為高時(shí)，F(xiàn)IFO的寫(xiě)使能有效，同時(shí)將與其成對(duì)的數(shù)據(jù)ram_dout作為FIFO的輸入數(shù)據(jù)；當(dāng)wr_en都為低時(shí)，F(xiàn)IFO的寫(xiě)使能無(wú)效。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    將用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)的設(shè)計(jì)程序經(jīng)過(guò)綜合、布局布線、產(chǎn)生位數(shù)據(jù)流，最后下載到FPGA芯片（XC4VLX25）中；將TS201鏈路口的接收和發(fā)送程序下載到相應(yīng)DSP中。在DSP的配合以及在調(diào)試工具Xilinx ISE12.2中內(nèi)嵌的邏輯分析儀ChipScope的幫助下，實(shí)現(xiàn)了DSP之間的廣播通信（即DSP之間一對(duì)一、一對(duì)多以及多對(duì)多的廣播通信），其數(shù)據(jù)傳輸都可靠。該設(shè)計(jì)目前要求發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定，數(shù)據(jù)單向吞吐率可達(dá)150 MB/s，雙向可達(dá)300 MB/s。
    本文提出的基于鏈路口及FPGA實(shí)現(xiàn)多DSP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流高效廣播的方法，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是完全可行的，且數(shù)據(jù)傳輸可靠。要完成更多DSP間的廣播通信，只需增加狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)個(gè)數(shù)，而且可擴(kuò)展性好，很容易擴(kuò)展到更多DSP的高效廣播通信中。該類(lèi)型通信方案經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，也可以完成大量的原始回波數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。在后續(xù)的工作中，將完成CPCI自定義接口以及9656與FPGA2之間的通信，并在DSP的配合下，最終達(dá)到上位機(jī)與各DSP的互訪，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)流和運(yùn)動(dòng)測(cè)量參數(shù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)礁鱾€(gè)DSP，并實(shí)現(xiàn)在調(diào)試時(shí)對(duì)各個(gè)DSP的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
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