SPORT接口的双DSP系统数据通信设计

关振明 ， 陈 安 ，2

（1.华南理工大学 自动化科学与工程学院，广东 广州 510640；2.广州现代产业技术研究 院精密电子制造技术研发中心，广东 广州 511458）

随着数字信号处理技术的广泛应用，越来越多的设计者采用DSP芯片进行数据处理和系统控制。然而，在某些特定的场合，如图像处理等，由于数据吞吐量大，可能使用单片DSP不能满足实时性的要求，我们就需要将两片，甚至多片DSP进行互连，组成双DSP或多DSP并行处理系统，以提高系统的处理能力，降低处理时间[1]。

1 双DSP系统

双DSP系统[2]设计中，一般采用主从方式，即一个DSP作为主处理器，负责整个系统的任务调度分配、人机交互等系统工作；一个DSP作为从处理器/协处理器，分担主DSP的数据处理任务，以减轻主DSP的压力。在这里，主从DSP就需要进行通信来交换信息，主机需要把相关处理参数设置发送给从机；从机需要把相应的处理结果返回给主机。因此，在双DSP系统中，主从通讯就显得尤为重要了。

主从DSP通讯，主要需解决如下问题：

1）双向通信问题：因为主从通信的目的就是为了进行信息交换，因此必须满足双向通信，才能保证信息在主从机之间交换。

2）可靠性问题：实时数字信号处理系统必须保证能够可靠运行，这就要求主从机之间的通信必须可靠，需要有相应的机制，才能保证系统运行正常可靠。

3）任务同步问题：因为实时系统一直在运行，所以要保证主从机处理的是同一次采集的对象信息，不然会造成主从信息错位，从而引起错误。

2 数据通信方案选择

1）基于串行接口的双DSP数据通讯

通过串行口进行连接是常见的系统内、系统间通信方式，常见的串行接口包括UART、IIC、SPI[3]和SPORT口等。

串行通信具有数据线少、连接简单方便等优点，但是串行通信的传输速度，相对于并行接口和双口RAM要慢，特别是需要进行大数据量通讯时。

2）基于并行接口的双DSP数据通讯

像TI的DSP就具有HPI主机接口，用于进行主从DSP连接。

通过并口方式，能够在不增加硬件的情况下，更快地进行主从通讯，甚至访问主从DSP的内存；但是相比串口方式，需要更多的连接线。

3）基于双口RAM的双DSP数据通讯

利用双口RAM作为主从DSP的共享存储器，具有传输速率高的特点，适用于大量数据交换且控制时序松散的场合。但是，该方式需要增加一个双口RAM芯片，硬件电路和软件设计都要比前两种方式要复杂，成本也会增加[4]。

在这里，以双面图像处理系统为例，系统需要同时采集通过物体的正反两面的图像，并对图像进行处理，判断是否存在缺陷。因此，需要同时采集正反两面的图像，进行处理并得出结论。采用双DSP系统，能够保证系统的实时性要求。我们选用ADI公司的BF531 DSP构成主从DSP系统，根据任务特点，工作过程中大多数情况下只需要从机将处理结果返回给主机，通信数据量不大。因此，我们选用串行方式进行主从通信。下面将对该双DSP主从通信系统进行详细介绍。

3 接口设计

根据BF531的特点，我们选用SPORT口作为主从DSP的通信接口。

SPORT口具有以下特点[5]：

1）双向操作：每个SPORT都有2套独立的发送和接收引脚。

2）缓冲的发送和接收端口：每个端口都有1个数据寄存器，用以同其他DSP部件进行双向数据传输；多个移位寄存器用于数据寄存器内数据的移入和移出。

3）时钟：每个发送/接收端口可用外部串行时钟，也可用自己产生的时钟频率。

4）字长：每个SPORT都支持3～32位长度的串行数据字，以最高有效位在前或最低有效位在前的格式传送。

5）帧：无论数据字有无帧同步信号，每个发送和接收端口都能运行；帧同步信号能够从内部或者外部产生，可以高有效或低有效，要求2个脉冲宽度，可以前帧或后帧同步。

3.1 硬件设计

3.1.1 系统总体结构

图1给出了整个图像处理系统的结构示意图。通过图像接口1和2，系统同时采集对象正反两面的图像，分别送到主从DSP进行处理，主从DSP处理过程中通过SPORT口通信交换信息；从机把处理结果返回给主机，主机进行信息汇总判断，得出控制动作。

3.1.2 SPORT接口电路设计

接口电路设计如图2所示。SPORT口是全双工的，有两套独立的发送和接受引脚，可以同时发送和接受数据。

主DSP的发送引脚接到从DSP对应的接收引脚，主DSP的接收引脚接到从DSP相应的发送引脚。 每对接口包括两个传输数据引脚DT0PRI和DT0SEC，一个帧同步引脚TFS0和一个时钟引脚SCLK0。

图2 双DSP间SPORT口通信电路Fig.2 The dual DSP SPORT mouth communication circuit

3.2 底层驱动设计

SPORT接口是ADSP－BF531上速度最快的串口，其速度最高可以达到系统时钟的1/2，可以通过写寄存器来控制波特率、帧同步和字长。

SPORT用帧同步脉冲标志每个字或包的起始，用位时钟标志每个数据位的起始。

SPORT时钟和帧同步可以由处理器内核产生，也可从外部接收。SPORT可以小尾或大尾格式工作，字长从3Bit到32Bit[6]。

在这里，我们把SPORT口配置成时钟由发送方产生，只使用主数据通道，32 Bit数据字长，DMA自动收发，中断接受的方式。驱动代码如下：

4 通信机制

4.1 数据帧格式

主从DSP遵循相同的帧格式，每个数据帧长度为32字节，其中第1个字节为帧头，第31个字节为CRC校验码，第32个字节为帧尾。

帧头帧尾的作用主要是在调试过程中，方便检查通讯的数据帧是否出现错帧、漏数据等问题。CRC校验用于校验所接收的数据是否正确。

4.2 通信过程设计

系统运行过程中，需要进行3次通信：

1）采图完成，进入图像处理时，主机要把是否需要进行图像处理、要进行哪些图像处理（例如特征信息有无，OCR字符识别等）的内容告诉从机；

2）图像处理完成时，从机要把处理结果返回给主机；

3）主机把得到的信息进行整合，要把最后的处理结果返回给从机。

为了保证主从机同步，不会出现信息错位，设计了双向通信机制，每次通信由主机发起请求或者发送命令，从机收到之后返回应答，主机收到应答后继续往下执行。

过程如图3所示。

经过测试，在100张图像连续采图，每85 ms进行一次图像采集的情况下，整机系统通信正常运行稳定，测试100组数据均工作正常，说明该通信机制是稳定可靠的，符合系统设计要求。

4.3 通信过程优化

在上述的通信机制里面，每次通信都是主从一来一往，由于主从机代码的运行并非完全一致，因此常常会出现等待的情况，要么是从机在等待主机发送命令过来；要么是主机等待从机返回应答。这样，就总有一部分时间耗费在等待中，虽然在满足系统性能要求的情况下，并不影响系统运行。但是否有方法能够进一步提高通信的效率？

进一步研究上述双向通信机制，我们会发现，其实并不是所有通信数据都是有意义的，第一次通信的从机返回应答，第二次通信的主机发送请求，以及第三次通信的从机返回应答，传输的数据都是没有意义的，是否能够简化掉？

因为通信是通过DMA方式直接把数据缓冲到Buffer里面的，所以像第一次通信，只要主机把任务要求发送给从机，主机就可以继续往下执行任务代码；从机如果执行得比主机慢的话，数据已经缓冲到Buffer了，直接读取就行了，已经执行到了的话，则还是需要等待主机发送任务要求，也不会错过数据。所以可以进行化简优化。

化简之后的通信机制，从宏观上构成一次半往返通信，少了很大一块等待时间，耗费的时间将会比原先的通信机制大大减少。由于主从机的图图像采集是同步进行的，考虑上这一因素，主从机还是能够很好的同步。化简后的通信机制如图4所示。

图4 主从DSP单向通信机制Fig.4 Master-slave DSP unidirectional communication mechanism

经测试，简化后，在100张图像连续采图，每85 ms进行一次图像采集的情况下，整机系统通信正常，运行稳定，测试100组数据均工作正常，说明该通信机制也是稳定可靠的，符合系统设计要求。

5 测试结果

两个测试机制都经过大量的运行测试，每次100张连续采图，测试100组，系统均稳定可靠运行。说明两个机制都能够满足系统要求。

两个机制的通信时间测试结果如下：

6 结 论

通过设计SPORT接口的主从DSP系统数据通信，双DSP系统能够稳定可靠的运行；通过对通信机制进行优化，使得系统的实时性得到进一步的保障。双DSP系统能够稳定运行，保证实时处理同一对象的双面图像，并及时得出处理结果进行控制动作。随着信号处理数据量的不断增大，双核或双处理器的并行处理系统将会越来越多地被应用，该设计提供了有益的尝试，并取得了不错的效果。

[1]周滨，谢晓霞，傅其祥，等.基于多DSP的高速通用并行处理系统研究与设计[J].电子设计工程，2012，20（17）：175－179.ZHOU Bin，XIE Xiao-xia，FU Qi-xiang，et al.Design of highspeed general parallel processing system based on multi-DSP[J].Electronic Design Engineering，2012，20（17）:175－179.

[2]李瑞峰，亢雪英.基于双DSP的防爆机器人控制器的设计[J].制造业自动化，2005（7）:43－45.LI Rui-feng，KANG Xue-ying.The design of controller of anti-riot robot based on DSP[J].Manufacturing Automation，2005（7）:43－45.

[3]毛建权，季晓勇.基于SPI的DSP与MCU双向通信的设计与实现[J].科学技术与工程，2007，7（15）：3911－3918.MAO Jian-quan，JI Xiao-yong.Design and realization of mutual communication based on SPI between DSP and MCU[J].Science Technology and Engineering，2007，7（15）:3911－3918.

[4]杜金榜，钟小鹏，王跃科多.DSP并行处理系统的设计与开发[J].计算机测量与控制，2006，14 （5）：658－666.DU Jin-bang，ZHONG Xiao-peng，WANG Yue-ke.Design and development of Multi-DSP parallel processing system[J].Computer Measurement&Control，2006，14（5）:658－666.

[5]陈峰.基于Blackfin DSP的数字图像处理[M].北京:电子工业出版社，2009.

[6]AnalogDevicesInc.ADSP－BF533 Blackfin?Processor Hardware Reference[EB/OL].（2009－04）[2012－10].http://www.analog.com/static/imported-files/processor_manuals/bf533_hwr_Rev3.4.pdf.