FPGA+DSP的高速通信接口设计与实现

嵌入式技术 电　子　测　量　技　术 EL ECTRON IC M EASU REM EN T TECHNOLO GY 第32卷第1期2009年1月　基于DSP和FPGA的数据通信实现方案朱　军　高清维　韩　璐(安徽大学电子科学与技术学院　安徽　230039)摘　要:在诸如无线视频传输等许多的系统设计中,越来越多的使用到了ARM+FP GA或DSP+FP GA的方案,由ARM或DSP做控制,而FP GA做复杂的算法处理,这样的分工可以使二者各尽其能,达到整个系统的性能最优值。

但如何协调控制器和FP GA,特别是如何进行两者之间的数据通信却是需要解决的问题。

本文以BF537系列DSP为例,介绍一种方法,使得BF537能够动态的配置FP GA,并能够正确简单的与FP GA进行数据通信。

经过实践证明该方法行之有效,并具有一定的通用性和灵活性。

关键词:DSP;BF537;FP GA;数据通信;动态配置中图分类号:TN431.2 文献标识码:ASolution of data communication based on DSP and FPGAZhu J un　Gao Qingwei　Han L u(The School of Electrical Science and Technology,Anhui University,Anhui230039)Abstract:Now in the design of many systems,such as wireless vedio transmission system,ARM+FP GA or DSP+ FP GA schemes are increasingly used.They adopt ARM or DSP to make control and FP GA to do complex algorithmic calculation,so that the optimum value of the entire system performance can be achieved utilizing the combination of thier functions.However a still existing problem to be solved is how to coordinate controller and FP GA,particularly how to carry out the communications between them.This paper takes BF537series DSP as example to introduce a method that can dynamically configure EP GA,and realize data communications with FP GA in correct and simple way.This method is proved to be effective through practice,and is universal and flexible in certain degree.K eyw ords:DSP;BF537;FP GA;data communication;dynamic configuration0　引 言随着移动通信和视频编码技术的发展,无线视频传输得到了越来越多的应用,传统的应用于有线领域的监控图传设备越来越显示出它的不足和缺陷。

基于FPGA+DSP架构的高速通信接口设计与实现于半导体器件的开通、关断及导通损耗.从电路拓扑方式上来讲,采用零开关变换拓扑方式产生谐振使电路中的电压或电流在过零时开通或关断可最大限度地减少开关损耗但也无法彻底消除开关管的损耗故利用散热器是常用及主要的方法.3.1 散热器的热阻模型由于散热器是开关电源的重要部件,它的散热效率高与低关系到开关电源的工作性能.散热器通常采用铜或铝,虽然铜的热导率比铝高2 倍但其价格比铝高得多,故目前采用铝材料的情况较为普遍.通常来讲,散热器的表面积越大散热效果越好.散热器的热阻模型及等效电路如上图所示半导体结温公式如下式如示：pcmax(ta)= (tjmax-ta)/θj-a(w)-----------------------(1) pcmax(tc)= (tjmax- tc)/θj-c(w)-----------------------(2)pc: 功率管工作时损耗pc(max): 功率管的额定最大损耗tj: 功率管节温tjmax: 功率管最大容许节温ta: 环境温度tc: 预定的工作环境温度θs: 绝缘垫热阻抗θc: 接触热阻抗(半导体和散热器的接触部分) θf: 散热器的热阻抗(散热器与空气) θi: 内部热阻抗(pn 结接合部与外壳封装) θb: 外部热阻抗(外壳封装与空气)根据图2 热阻等效回路, 全热阻可写为:θj-a=θi+[θb*(θs+θc+θf)]/(θb+θs+θc+θf)----------------(3)又因为θb比θs+θc+θf大很多,故可近似为θj-a=θi+θs+θc+θf---------------------(4)①pn 结与外部封装间的热阻抗(又叫内部热阻抗) θi是由半导体pn 结构造、所用材料、外部封装内的填充物直接相关.每种半导体都有自身固有的热阻抗.。

基于FPGA的高速数据传输接口设计与实现摘要：随着信息技术的不断发展，高速数据传输接口的设计和实现变得越来越重要。

本文基于现场可编程门阵列（FPGA）技术，设计并实现了一种高速数据传输接口。

通过对FPGA的编程，我们能够实现灵活、可定制的接口，满足不同应用场景的需求。

本文详细介绍了接口设计的原理、方法和实现过程，并进行了性能测试和评估。

实验结果表明，该高速数据传输接口具有良好的性能和稳定性，能够满足高速数据传输的要求。

关键词：FPGA，高速数据传输接口，灵活性，性能测试1. 引言随着现代科技的快速发展，数据传输速度的需求不断提高。

为了满足这一需求，研究人员提出了各种高速数据传输接口的设计方案。

然而，由于传统硬件的限制，这些接口往往无法满足实际应用的要求。

因此，本文采用了FPGA技术，设计并实现了一种高速数据传输接口，以提升数据传输速度和灵活性。

2. 接口设计原理本文采用了基于FPGA的设计方法，通过对FPGA的编程，实现了高速数据传输接口的设计。

FPGA具有可编程性和并行处理能力，可以根据应用需求进行灵活定制。

通过将数据传输接口的相关功能逻辑实现在FPGA中，可以大大提高传输速度和稳定性。

3. 接口设计方法本文采用了一种基于时钟同步的数据传输方法。

通过将数据传输分为发送端和接收端两个模块，利用时钟信号进行同步，确保数据的准确传输。

发送端将需要传输的数据编码成数字信号，通过FPGA的输出引脚进行传输；接收端通过FPGA的输入引脚接收数字信号，并解码还原成原始数据。

4. 接口实现过程本文采用Verilog HDL语言进行FPGA的编程。

首先，根据接口设计原理和方法，编写发送端和接收端的功能模块；然后，通过逻辑综合、布局布线和时序分析等步骤，生成FPGA的比特流文件；最后，将比特流文件下载到FPGA芯片中，完成接口的实现。

5. 性能测试与评估为了评估所设计的高速数据传输接口的性能，我们进行了一系列的性能测试。

集成电路应用ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓＦＰＧＡ与ＤＳＰ的高速通信接口设计与实现金鹏，邓欣，宋万杰，吴顺君（西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室，陕西西安７１００７１）摘要：对ＡＤＩ公司ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ系列的两种典型ＤＳＰ芯片ＴＳ１０１［１］和ＴＳ２０１［２］的链路口性能进行了分析和比较，并给出了ＦＰＧＡ与这两种ＤＳＰ芯片通过链路口进行双工通信的设计，为ＦＰＧＡ＋ＤＳＰ实时处理系统的内部数据通信提供了更加稳定和完善的通道。

关键词：ＴＳ１０１ＴＳ２０１实时处理系统链路口通信在雷达信号处理、数字图像处理等领域中，信号处理的实时性至关重要。

由于ＦＰＧＡ芯片在大数据量的底层算法处理上的优势及ＤＳＰ芯片在复杂算法处理上的优势，ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ的实时信号处理系统的应用越来越广泛。

ＡＤＩ公司的ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ系列ＤＳＰ芯片浮点处理性能优越，故基于这类ＤＳＰ的ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ处理系统正广泛应用于复杂的信号处理领域。

同时在这类实时处理系统中，ＦＰＧＡ与ＤＳＰ芯片之间数据的实时通信至关重要。

了具体的设计实现方法。

其中ＴＳ１０１的设计已经成功应用于某信号处理机中。

１ＴＳ１０１和ＴＳ２０１的链路口分析与比较ＴＳ１０１和ＴＳ２１０都是高性能的浮点处理芯片，目前两者都广泛应用于复杂的信号处理领域。

ＴＳ２０１是继ＴＳ１０１之后推出的新型芯片，核时钟最高可达６００ＭＨｚ，其各类性能也相对优于ＴＳ１０１，而且ＴＳ２０１的链路口采用了低抗噪声性能更好。

表１压差分信号ＬＶＤＳ技术，功耗更低、列出了两种芯片链路口性能的详细比较，其中ＴＳ１０１核时钟工作在２５０ＭＨｚ，ＴＳ２０１核时钟工作在５００ＭＨｚ。

ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ系列ＤＳＰ芯片与外部进行数据通信主要有两种方式：总线方式和链路口方式。

链路口方式更适合于ＦＰＧＡ与ＤＳＰ之间的实时通信。

随着实时信号处理运算量的日益增加，多序号项目结构片内结构数据传输数据形式速率表１ＴＳ１０１与ＴＳ２０１链路口性能对照表ＴＳ１０１４个双向复用的链路口每个链路口可以通过内部三条总线分别映射到存储区Ｍ０／Ｍ１／Ｍ２ＴＳ２０１４个完全双向的链路口通过ＳｏＣＢＵＳ接到片内ＳｏＣ接口，映射到存储区１２３４５６ＤＳＰ并行处理的方式被普遍采用，它们共享总线以互相映射存储空间，如果再与ＦＰＧＡ通过总线连接，势必导致ＦＰＧＡ与ＤＳＰ的总线竞争。

哈尔滨工业大学硕士学位论文摘要随着半导体器件的发展，模数转化器的采样速率大大提高，信号处理系统的数字化程度提高，系统内部有大量的数据需要实时传输。

因此，无论民用还是国防工业，都对总线的数据传输速率提出了更高的要求。

目前常用通信协议的传输速率达不到系统要求，而通信行业专用的高速传输协议对系统来说硬件开销过于巨大，因此需要一种结构简单，同时又具有很高数据传输速率的接口来承担数据传输功能。

本课题旨在为某雷达信号处理板提供高速通信接口，实现主机通过该接口实时地接收信号处理板发来的数据，用以进行处理或加以记录。

由于雷达对实时性有很高的要求，前端会持续产生高速采样数据源源不断地发送给主机。

因此信号处理板与主机间的通信接口需要具有高速、稳定等特点。

本课题设计的通信接口就具有高速、稳定的特点。

该接口可用于机箱间或板间通过光纤接口进行数据传输。

课题在基于实际应用的条件下简要分析了OSI-RM参考模型，并根据课题的实际需要对模型进行一些调整。

在参考OSI-RM参考模型的基础上，分别在FPGA和处理器中用硬件和软件实现参考模型的各层次功能，并对部分模块进行了仿真测试。

在本课题中使用硬件描述语言编写逻辑实现物理层和数据链路层结构。

而在信号处理板和主机分别采用C语言和C#语言实现了网络-传输层的通信协议。

最后通过系统联合调试的结果可以分析，该接口具有高效、可靠、稳定等特点，可以应用于实际系统中。

关键词：高速数据传输；FPGA；RocketIO；TS201；滑动窗口哈尔滨工业大学硕士学位论文AbstractWith the development of semiconductor device, the sampling rate of AD has greatly increased, the digitalization of signal processing system has increased and large amount of real-time data needs to be transferred within the system. Hence, higher quality of data transmission rate is demanded for both civil and national defense industry. Currently, the transferring speed of regular communication protocol could not meet the increasing demand of system. And the protocol with high rate of transfer which is special designed for field of communication costs too much that. Thus we need a new type of interface which has simple structure and high rate of data transfer to fulfill the demand of signal process system.This article aims to provide a method to realize the high rate of communication interface for radar signal processing system, so that the host computer can receive the real time data from signal processing system through this interface. In addition, the data could be used in further processing or recording. The ADC continues to produce high rate of sampling data and send the data to the host computer. Therefore, the efficiency and the reliability is demanded by the communication interface between signal processing system and host computer. This article presents a design of a communication interface which could meet the demand of characteristics mentioned above and can be used to transfer data between boards or cases.The article analyzed the OSI-RM model based onto the actual application. In addition, some adjustments were made onto the model in accordance with the actual demand of engineering application. Based on the reference model of OSI-RM, hardware and software were applied into FPGA and processors separately to achieve the function of each layer in the consult model. In this project, HDL was used to design the logic of physical layer and data link layer. C and C# language were used in signal processing system and host computer to achieve the communication protocol of network- transport layer. After debugging in the real system, it is concluded that the interface possesses characteristics of efficiency and reliability and is able to be applied into actual system.Keywords: high speed data transfer,FPGA, RocketIO, TS201, slip window哈尔滨工业大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 本研究课题的来源 (1)1.2 背景及其理论意义与实际意义 (1)1.3 国内外与课题相关研究领域的研究现状 (2)1.3.1 国内外通信协议方面研究现状 (2)1.3.2 国内外信号处理板通信接口的设计 (3)1.4 课题研究内容 (5)第2章高速通信接口相关的背景知识 (7)2.1 通信接口参考模型 (7)2.2 Xilinx FPGA（现场可编程门阵列）简介 (8)2.2.1 FPGA的发展状况 (8)2.2.2 使用FPGA开发的流程 (8)2.2.3 FPGA开发环境 (9)2.3 DSP平台 (10)2.3.1 ADSP-TS201S处理器介绍 (10)2.3.2 DSP开发环境介绍 (10)2.4 主机环境 (11)2.4.1 Windows驱动开发 (11)2.4.2 主机应用程序和协议处理程序的开发 (12)2.5 本章小结 (12)第3章高速通信接口的设计 (13)3.1 课题需求分析 (13)3.2 信号处理板光纤通信接口的开发 (15)3.2.1 通信协议的开发 (15)3.2.2 光纤通信接口的硬件实现方案 (17)3.3 本章小结 (19)哈尔滨工业大学硕士学位论文第4章高速通信接口的实现 (20)4.1 光纤通信接口硬件的实现 (20)4.1.1 高速串行通信接口模块的实现 (20)4.1.2 FPGA与TS201S总线接口模块设计 (26)4.1.3 光纤通信接口的硬件开销 (29)4.2 信号处理板上网络-传输层通信协议的实现 (30)4.2.1 信号处理板对光纤通信接口的控制 (30)4.2.2 链式DMA传输和飞跃式传输的特殊处理 (31)4.2.3 信号处理板实现通信协议的工作流程 (32)4.2.4 光纤通信接口支持软件 (36)4.3 主机上网络-传输层通信协议的实现 (37)4.3.1 PCI-e光纤接口卡驱动程序的开发 (37)4.3.2 协议处理程序的实现 (38)4.4 本章小结 (42)第5章高速通信接口的调试与测试 (43)5.1 模块的仿真验证 (43)5.1.1 发送控制模块的仿真验证 (43)5.1.2 接收控制逻辑的仿真验证 (44)5.1.3 拥塞控制机制的仿真验证 (46)5.1.4 小结 (47)5.2 实际调试测试 (47)5.2.1 Chipscope工具简述 (47)5.2.2 实际调试过程 (48)5.3 本章小结 (55)结论 (56)参考文献 (57)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (59)致谢 (60)哈尔滨工业大学硕士学位论文第1章绪论1.1本研究课题的来源随着通信和网络技术的飞速发展，各种嵌入式系统在设备内部有大量的数据传输[1]。

DSP与FPGA的并行通信方式设计与实现作者：刘源康来源：《电子技术与软件工程》2018年第03期摘要在DSP+FPGA实现的级联H桥型多电平逆变电路中，首要任务是实现DSP与FPGA的通信。

本文设计了DSP+FPGA系统的硬件电路连接方式及通信软件，由DSP作为上位机，FPGA作为下位机，使用外部接口XINTF将DSP与FPGA二者相连。

设计了DSP侧的主程序与中断服务程序，在FPGA内构造FIFO储存数据，编写FIFO的读写接口逻辑单元代码。

最后用内嵌逻辑分析仪采集了XINTF各信号线及FIFO各引脚的数据，验证了该并行通信方式的可行性。

【关键词】DSP FPGA XINTF FIFO 并行通信1 引言级联H桥型多电平逆变电路在高压大功率变流及交流传动系统中有十分广泛的应用。

但是在数字控制的实现中，单片DSP芯片提供的PWM路数有限。

一个三相七电平级联H桥型逆变电路就需要36路驱动脉冲，一片DSP上PWM脉冲数显然不能满足需要，而多片DSP并行工作又要考虑时钟同步问题。

因此多采用DSP+FPGA系统生成多路驱动脉冲，其中DSP负责采样计算并定时发送多路脉宽数据到FPGA，FPGA产生多路三角载波并与脉宽数据实时比较生成SPWM波。

实现该方法首要步骤是解决DSP与FPGA之间并行通信的问题。

选用合适的DSP与FPGA芯片，构建实验平台并设计并行通信方式，通过外部接口XINTF进行通信，实现了DSP对FPGA内构造的FIFO中数据的读写，并为基于DSP+FPGA的多电平逆变器驱动脉冲生成系统设计提供了依据。

2 总体结构设计采用TI公司的TMS320F28335型32位浮点数字信号处理器与Altera Cyclone III系列的EP3C5E144C8N型现场可编程门阵列，构建通信系统。

因为DSP与FPGA使用不同的时钟信号，选择在FPGA内构造FIFO进行数据缓存，编写FIFO读写程序，通过DSP的外部接口XINTF实现DSP与FPGA的并行通信，这一系统的硬件连接示意图如图1所示，各信号线的方向在图中列出。