基于DSP内嵌PCI总线的卫星信号仿真器设计
基于dsp内嵌pci总线的卫星信号仿真器设计
0 引 言
卫星信号仿真器在卫星导航的研究开发中占有重要地位，特别是多模接收机和高动态接收机的研发。多模卫星仿真器中涉及到大量的数据传输，为了保证pc机和dsp之间数据传输的实时性和准确性，选择基于pci总线接口进行数据传输。常用的pci开发是采用专门的pci接口芯片，但这样系统就会多一块芯片，性价比低，而ti公司tms320c6416系列的dsp拥有内置pci接口，使得硬件开发难度降低和主机对dsp资源访问更加透明。提出一种基于tms320c6416系列dsp的pci总线卫星信号发生器的硬件平台以及相应的pci接口电路设计。
1 系统结构与实现方案
1．1 系统总体结图
图1是仿真器的总体结构框图，其核心器件包括dsp6416，sdrram，flash，fpga，d／a，时钟以及pc机。其中，d／a完成数字信号到模拟信号的转换；sdram作为外设存储器存储由pc机传来的数据；flash用于在系统掉电后保存dsp的运行程序；fp-ga作为仿真器的另一核心部件，主要完成与dsp的通信、信号的合成和d／a的控制；pc机主要完成仿真器的数字信号处理与计算好的数据在pci接口和dsp间的传递。dsp作为主机和fpga之间的通信桥梁，主要完成两方面的工作：一是定时接收pc机计算的各种控制字和电文，按照时序要求，将各通道的控制字发送给fpga；二是由于pc机计算是双精度浮点型的，而fpga中只能以整型数据计算，这样必然会造成两者相位累加值的差异，随着时间的流逝，误差会越来越大，必须加以校正；但如果要将fpga累加的数据再返回到pc机进行比较校正，在实时性上得不到保证，因此需要在dsp中实现对频率字的校正。
在设计中，将sdram作为dsp的片外存储器，配置在emifa的ce0空间内，fpga与dsp通过emi-fa接口交互数据，它配置在emifa的ce1和ce2空间内。emifb的ce1配置成异步8位通信方式与flash通信。
1．2 dsp与pci接口电路连接设计
由于dsp tms320c6416内部集成pci接口，所以不需要桥接芯片，只需要设计与pci母板之间的接口，不需要设计pci与dsp本身之间的接口。由于仿真器是一个多电源系统，可以提供5 v，3．3 v，12 v的电源，所以对连接器采用多电源供电。此外，由于dsp是3．3 v系统，虽然它的pci口能承受5 v电压，但考虑到系统的稳定性，在dsp的pci口和连接器之间加3个电压转换芯片idtqs32x2245，将5 v电压转换成3．3 v电压。由于dsp是集成的pci接口，其电路设计较简单，将dsp pci接口的地址和数据总线直接连到idtqs32x2245芯片的b管脚部分，将铜手指上的地址和数据总线连接到idtqs32x2245芯片的a管脚部分，仲裁信号req，gnt、错误报告信号perr，serr、字节使能信号c／be[3：o]、接口控制信号fram，irdy，stop， idsel，devesel也都按相同的方法连接在相应的位置上。限于篇幅，这里仅给出dsp pci接口部分与连接器的连接示意图，如图2所示。
2 dsp6416内嵌pci关键寄存器及其中断机制
dsp6416的pci接口支持通过主／从总线接口连接dsp到pci主机，pci接口端通过edma内部硬件与dsp相连，它支持四种类型pci数据交换：从模式读，即外部pci主设备通过pci接口写数据到dsp；从模式写，即外部pci主设备通过pci接口从设备读数据；主模式读，即dsp主设备通过pci接口读数据到外部pci从设备；主模式写，即dsp主设备通过pci接口写数据到外部pci从设备。
pci寄存器主要包括3类：pci配置寄存器、pcii／o寄存器、映射在dsp存储空间作为外设的pci寄存器。前两类寄存器只能被外部主机访问，而第三类寄存器可以被dsp和外部pci主机访问。
pci配置寄存器包含标准的pci配置信息(设备标识，厂商标识，分类代码，基址等)；pci i／o寄存器位于pci主机的i／o空间，主机只能在：base1和base2访问它们，pci i／o寄存器包括hsr，hdcr，dspp。如图3所示，hsr寄存器表明主机的状态，它的intsrc位和intam位对于中断处理至关重要。 intam位为1时，它可以屏蔽dsp发送的中断，当该位为0时，只要。dsp设置rstsrc字段中的intreq位时，可以使能pinta，即主机在这时可以响应中断。当intsrc位读为0时，表示pinta自上次清除后无效，当读为1时，表示pinta处于使能状态，该位写0无效，写1清除 pinta的使能状态。对于hdcr来说，pc机通过将dspint位置1产生主机中断。dspp主要和base0一起定义一段存储空间。
pci内存映射外围寄存器主要用于控制pci接口，它可以被主机和dsp访问，在该寄存器中，较重要的是rstsrc寄存器，如图4所示。
dsp通过将rstsrc寄存器中的intreq置1产生中断；pc机和dsp通过将intrst置1清除中断，这一点在驱动开发中至关重要，因为dsp 产生的中断属于电平中断类型，如果不清除中断，它将一直有效．这将会导致中断响应函数不断的调用，从而导致死机。
pci端口通过3种基址寄存器可以完全访问dsp的存储器映射。
base0：4 mb的可预存取空间，通过设置dsp页寄存器映射所有dsp存储器空间，预取读使所有的字节有效。
base1：8 mb非预取地址映射对应于所有的dsp存储空间，非预取支持字节使能。
base2：pci的16mb i／o包括i／o寄存器。
这3种寄存器属于pci配置寄存器，pci主机可以访问映射在pci存储器空间4 mb的dsp存储器，pci端口包含一个pci i／o寄存器(dspp寄存器)从pci地址到dsp地址的映射。当dsp作为pci本地总线从属时，使用该映射模式；当dsp上的pci基地址寄存器被配置成一个8 mb不可预取区域时，该存储空间映射为dsp内存映射寄存器(0180 0000h)。pci地址的22：0位与一个固定偏移相连，将base 1访问映射到内存寄存器；基地址寄存器2配置16 b i／o空间，使pci主机用于访问pci i／o寄存器。
3 仿真器程序及驱动程序的开发
3．1 驱动工具的选择
对于开发wdm型pci驱动，常用的开发工具有三种。一是直接使用windows ddk或者wdk工具；二是使用driverstudio；三是使用windriver。第一种方式要求掌握windows的体系结构、设备驱动的体系结构等知识，开发难度较大；第二种方式对ddk进行了封装，难度虽然降低了些，但依然不小，而且由于封装问题，可能带来一些bug，有可能导致项目失败；第三种方式克服了传统开发工具开发驱动周期长，效率低，需具有ddk和核心态程序开发经验等缺点，大大简化了isa-bus，pcibus等硬件设备驱动程序的开发过程，而且windriver还提供核心插件(kerneal plu-gin)功能，使开发者在用户模式下调试代码，然后将调试无误的代码搬到内核模式(kernel mode)中，因而使用windriver，具有简单、快速、高效的特点。
3．2 windriver的工作原理
图5是windriver的体系结构图，阴影部分是windriver提供的组件。windriver提供以windrvr6．sys为底层的驱动栈层，直接与硬件交互，避免了用户对硬件操作的复杂性，用户开发驱动只需在应用程序中调用windriver用户模式的api函数。这些用户模式的函数调用 windriver的kernel module函数实现对硬件的访问。对于某些要求比较高的硬件驱动(如要求响应中断的速度足够快)，如果用户模式开发的驱动无法达到要求，开发者可以将用户模式下调试好的代码放入到windriver的kernel plugin模块中，使得驱动开发可以在用户模式下进行，而开发的驱动的效率完全可与内核模式下的驱动相媲美。
图6为用windriver开发pci驱动内部的api函数调用关系。
通常情况下，在应用程序中不直接调用这些api函数，而是通过二次开发，将这些api函数封装在动态链接库dll中，然后应用程序调用dll中封装好的函数。
3．3 卫星信号仿真器应用程序框图及相应pci驱动的关键代码分析
根据仿真器的总体设计，需要在pc机上实现二个功能模块；
数字信号处理模块该模块是仿真器的核心模块，实时仿真导航电文，计算卫星伪距、各通道的频率字和码控制字等。
通信模块 该模块主要是将pc机计算得到的相关信息通过pci传递给dsp。
考虑到整个仿真器数据要求的实时性，通过中断函数实现pc机中的程序传输数据，当dsp需要数据时，通过rstsrc寄存器intreq位写1产生一个中断信号发送给pc机，但要使该中断有效，必须要求主机状态寄存器(hsr)中的intam位为0。因此在上位机程序中，初始化阶段必须把该中断使能位打开。应用程序的结构如图7所示。
中断处理步骤如下：
(1)应用程序打开中断使能，系统等待中断；
(2)如果中断到来，则清除中断标志，取消中断源；
(3)在中断函数中执行数据传输；
(4)数据传输完后给dsp发中断，实现与dsp的握手；
(5)重新开启中断源。
第(2)步和第(5)步在中断使能函数中实现。 中断响应函数的关键代码如下：
pci主机给dsp发中断是通过将hdcr寄存器的dspint位置1实现的，要注意产生该中断的有效前提条件是pci的中断使能寄存器(pciien)hostsw位被使能，即hostsw=1。
为了便于使用pci的驱动函数和以后驱动程序发布的需要，将驱动函数封装在动态链接库dll中，它们中主要函数的关键代码如下：
为了使pc机能够正确地捕获到由dsp传来的中断，在动态链接的dsp6416_intenable()函数中，必须设置内核模式下的中断传输命令，因为它的优先级比用户模式下的中断响应函数高，因而一旦dsp产生中断，首先执行的是内核模式下的中断传输命令。由于dsp6416内嵌pci产生的中断属于电平敏感中断，如果不清除中断它将一直有效，这将会导致中断响应函数不断执行而死机。因此，必须在中断使能函数设置中断传输命令。在该例中，先从hsr中读取一个dword，然后在中断传输命令中设置cmd_mask位。如果前面从hsr中读出的值为0x04，则屏蔽dsp所产生的中断，否则不执行屏蔽命令，然后在中断传输命令中向dsp的rstsrc写入0x10清除中断。图6中用到的关闭中断使能和关闭设备2个函数可分别通过调用windriver中 wdc_intdisable()，wdc_pcide_viceclose()，wdc_driverclose()的函数等实现。此外，调用这些函数之前要判断中断是否存在，设备是否打开，否则会出现严重错误。
3．4 卫星信号仿真器实验验证
设置卫星信号仿真器场景：用户位置为北纬60°00'00，东经100°00'00，高程300 m，静止状态。gg24接收机的解算结果如图8所示。
gg24接收机解算结果是北纬59°59'59．867 52，东经99°59'57．636 24，高程为308．02 m，与设置的场景，即北纬60°00'00，东经100°00'00，高程300 m相当吻合。因此，这说明了仿真器的正确性和有效性。
4 结 语
在此设计的基于dsp6416内嵌pci数据传输硬件平台和驱动开发方案已用于多模卫星信号仿真器中，该方案数据传输稳定，速度快(可达115 mb／s)，采用windriver软件工具包开发dsp6416内嵌的pci设备驱动程序，不但可以极大地缩短开发周期，而且还提高了卫星信号仿真器的开发效率和整体性能。
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1．1 系统总体结图
图1是仿真器的总体结构框图，其核心器件包括dsp6416，sdrram，flash，fpga，d／a，时钟以及pc机。其中，d／a完成数字信号到模拟信号的转换；sdram作为外设存储器存储由pc机传来的数据；flash用于在系统掉电后保存dsp的运行程序；fp-ga作为仿真器的另一核心部件，主要完成与dsp的通信、信号的合成和d／a的控制；pc机主要完成仿真器的数字信号处理与计算好的数据在pci接口和dsp间的传递。dsp作为主机和fpga之间的通信桥梁，主要完成两方面的工作：一是定时接收pc机计算的各种控制字和电文，按照时序要求，将各通道的控制字发送给fpga；二是由于pc机计算是双精度浮点型的，而fpga中只能以整型数据计算，这样必然会造成两者相位累加值的差异，随着时间的流逝，误差会越来越大，必须加以校正；但如果要将fpga累加的数据再返回到pc机进行比较校正，在实时性上得不到保证，因此需要在dsp中实现对频率字的校正。
在设计中，将sdram作为dsp的片外存储器，配置在emifa的ce0空间内，fpga与dsp通过emi-fa接口交互数据，它配置在emifa的ce1和ce2空间内。emifb的ce1配置成异步8位通信方式与flash通信。
1．2 dsp与pci接口电路连接设计
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pci端口通过3种基址寄存器可以完全访问dsp的存储器映射。
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base1：8 mb非预取地址映射对应于所有的dsp存储空间，非预取支持字节使能。
base2：pci的16mb i／o包括i／o寄存器。
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3 仿真器程序及驱动程序的开发
3．1 驱动工具的选择
对于开发wdm型pci驱动，常用的开发工具有三种。一是直接使用windows ddk或者wdk工具；二是使用driverstudio；三是使用windriver。第一种方式要求掌握windows的体系结构、设备驱动的体系结构等知识，开发难度较大；第二种方式对ddk进行了封装，难度虽然降低了些，但依然不小，而且由于封装问题，可能带来一些bug，有可能导致项目失败；第三种方式克服了传统开发工具开发驱动周期长，效率低，需具有ddk和核心态程序开发经验等缺点，大大简化了isa-bus，pcibus等硬件设备驱动程序的开发过程，而且windriver还提供核心插件(kerneal plu-gin)功能，使开发者在用户模式下调试代码，然后将调试无误的代码搬到内核模式(kernel mode)中，因而使用windriver，具有简单、快速、高效的特点。
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图6为用windriver开发pci驱动内部的api函数调用关系。
通常情况下，在应用程序中不直接调用这些api函数，而是通过二次开发，将这些api函数封装在动态链接库dll中，然后应用程序调用dll中封装好的函数。
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中断处理步骤如下：
(1)应用程序打开中断使能，系统等待中断；
(2)如果中断到来，则清除中断标志，取消中断源；
(3)在中断函数中执行数据传输；
(4)数据传输完后给dsp发中断，实现与dsp的握手；
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pci主机给dsp发中断是通过将hdcr寄存器的dspint位置1实现的，要注意产生该中断的有效前提条件是pci的中断使能寄存器(pciien)hostsw位被使能，即hostsw=1。
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4 结 语
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