编程嵌入式信号处理背板的开发设计

摘要：介绍了基于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ和ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ的可编程通用信号处理背板的设计和制作；并对Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的性能和特点进行了分析；同时还叙述了可编程通用信号处理背板的调试；最后给出了背板应用开发实例。

关键词：Ｖｉｒｔｅｘ系列现场可编程逻辑门阵列（ＦＰＧＡ）ＴＭＳ３２０Ｃ４０数字信号处理器（ＤＳＰ）

现场可编程逻辑门阵列（ＦＰＧＡ）和高性能数字信号处理器（ＤＳＰ）是高速信号处理领域两大关键器件，ＦＰＧＡ和ＤＳＰ的运算速度及并行处理效能成为制约高速信号处理应用的主要因素。ＦＰＧＡ以其设计灵活性及硬件高密度性在高速信号处理领域显示出愈来愈重要的作用。Ｘｉｌｉｎｘ公司最新推出的Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ。是一种采用５层０．２２μｍＣＭＯＳ工艺的高性能、大容量现场可编程逻辑门阵列，其系统门密度高达１００万门，系统性能可达２００ＭＨｚ，可选择配置为多种接口标准，内部含有丰富的布线资源，其ＳｅｌｅｃｔＲＡＭ和ＢｌｏｃｋＲＡＭ可灵活地配置为ＳＲＡＭ、ＦＩＦＯ、ＤＰＲＡＭ、ＣＡＭ等多种形式的存储单元。Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ含有极其丰富的Ｉ／Ｏ资源，可灵活地与ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ接口，与ＤＳＰ配合可完成复杂的信号处理功能。Ｃ４０ＤＳＰ含有两组外部总线资源和６个高速通信口，可方便地进行多ＤＳＰ扩展，以提高系统信号处理的性能。

在对Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ进行充分理解和研究的基础上，结合对ＸＣ４０００系列ＦＰＧＡ和ＤＳＰ背板开发设计经验，研制出了基于ＸＣＶ２００／３００ＰＱＦＰ２４０和ＴＭＳ３２０Ｃ４０的可编程嵌入式高速信号处理背板。背板采用了针对系统需求自行开发的ＸＰＣＩ总线，背板可脱离实际应用系统进行独立的面向应用的设计和调试，也可按照ＸＰＣＩ总线标准方便地嵌入到实际应用系统中，成为系统的一部分进行联合调试。

对可编程嵌入式信号处理背板进行全面综合测试的结果表明，背板性能达到了预期设计要求，工作状态稳定。我们还针对实际应用开发了一些ＦＰＧＡ模块和ＤＳＰ程序。

１Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ性能简介

在前几代ＦＰＧＡ开发的基础上，Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ结合了多种可编程系统的特征，采用了快速灵活的层次性互连布线资源和先进的处理技术，提供了高速度、大容量的逻辑解决方案，进一步缩短了数字信号处理系统的开发周期。与前几代ＦＰＧＡ相比，Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的特性主要体现在以下几个方面：

（１）更高的处理速度和更高的逻辑门密度。Ｖｉｒｔｅｘ系列最大系统门数高达１００万门，系统性能可达２００ＭＨｚ，其中比较常用的几个功能模块性能如表１所示。

表1Virtex系列FPGA几个常用功能模块的性能

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（２）更多可兼容的Ｉ／Ｏ接口标准。Ｖｉｒｔｅｘ系列可兼容１６种高性能接口标准，可直接与ＺＢＴＲＡＭ器件接口，且其独特的Ｉ／Ｏ分组方式可使多种不同电压标准接口在同一片ＦＰＧＡ上实现。

（３）片内时钟管理电路。Ｖｉｒｔｅｘ系列内部包含４个灵活的延时锁相环用于高级时钟管理，可实现倍频、分频、锁相等功能，此外还有４个主全局时钟网络和２４个从本地时钟网络，以实现高速时钟的传输。

（４）层次性存储管理系统。Ｖｉｒｔｅｘ系列内部查找单元可配置为１６ｂｉｔ和３２ｂｉｔＲＡＭ、１６ｂｉｔＤＰＲＡＭ或１６ｂｉｔ移位寄存器，其ＢｌｏｃｋＲＡＭ资源可配置为４ｋｂｉｔＤＰＲＡＭ或ＦＩＦＯ、ＣＡＭ等存储器件，且提供了高速外部ＲＡＭ接口。

（５）更加灵活的系统结构。复杂的进位逻辑链提高了算术逻辑性能，复杂的乘法器支持，级联链支持宽位输入模块，丰富的带时钟使能的寄存器和锁存器，支持异步和同步复位及置位，支持ＩＥＥＥ１１４９．１边界扫描逻辑。

（６）基于ＳＲＡＭ的在系统可重构技术。可无限次重复编程，包含主串、从串、ＳｅｌｅｃｔＲＡＭ和ＪＴＡＧ四种配置模式，支持部分重构。

２基于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ的可编程嵌入式信号处理背板的设计

由于对Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ进行了充分理解和熟悉，我们研制了基于自行开发的ＸＰＣＩ总线的可编程嵌入式信号处理背板。由于Ｖｉｒｔｅｘ系列ＦＰＧＡ内部结构相同，外部引脚兼容，只是在系统门数上有所区别，我们采用了ＸＣＶ２００ＰＱ２４０－４作为可编程嵌入式信号处理背板的主处理芯片，与ＦＰＧＡ接口的ＤＳＰ采用功能强大、接口灵活的ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ。背板中ＤＳＰ的应用目的是对ＦＰＧＡ进行管理和控制、对ＦＰＧＡ处理结果进行分析、通过ＤＳＰ软件实现其他相关功能，以提高系统设计的灵活性。Ｃ４０ＤＳＰ具有两组外部总线资源和６个高速通信口，能方便灵活地实现系统扩展。背板中ＦＰＧＡ可根据设计需要选择不同规模的芯片。

可编程嵌入式信号处理背板结构如图１所示。

背板上主要包含１片ＸＣＶ２００ＰＱ２４０ＦＰＧＡ、１片ＴＭＳ３２０Ｃ４０ＤＳＰ、１片ＸＣ９５３６ＣＰＬＤ、１片ＥＤＩ８Ｌ５１２ＳＲＡＭ（５１２Ｋ×３２ｂｉｔ）、１片ＡＴ４９０２０Ｆｌａｓｈ２Ｍｂｉｔ、ＤＳＰ调试ＪＴＡＧ接口、ＦＰＧＡ调试Ｘ＿Ｃｈｅｃｋｅｒ接口、ＣＰＬＤ调试ＪＴＡＧ接口、自行开发ＸＰＣＩ接口及５个独立ＤＳＰ通信口。背板所有器件除ＤＳＰ外均采用贴片封装、双面装焊，使得背板的尺寸较小（７６ｍｍ×１２７ｍｍ×１２ｍｍ），ＤＳＰ外围５１２Ｋ×３２ｂｉｔＳＲＡＭ使得背板系统能够满足大部分应用程序的要求。２ＭｂｉｔＦｌａｓｈ用于固化ＦＰＧＡ配置和ＤＳＰ应用程序代码。背板系统既可以独立工作（Ｓｔａｎｄａｌｏｎｅ方式），也可以通过ＸＰＣＩ总线嵌入系统工作（Ｐｌｕｇ＿ｉｎ方式）。