基于SRIO交换芯片的DSP接口设计

2019-08-27李静静

火控雷达技术 2019年2期

李静静张楠

(西安电子工程研究所西安 710100)

0 引言

随着高速信号处理器和嵌入式信号处理系统的快速发展，信号处理芯片与芯片之间、板卡与板卡之间的数据通信量越来越大，对传输速率和带宽的要求也越来越高，因此构建高速可靠的交换网络也势必成为必然。在目前通用的DSP+FPGA架构的信号处理平台上，SRIO作为完全的点对点拓扑结构的标准协议，非常适合用于构建板内及板间的交换网络[1]。

CPS1848是美国IDT公司推出的第二代RapidIO交换芯片，符合RapidIO 2.1规范，具有18个端口(Port)，对外提供48路全双工高速串行通道(Lane)，峰值吞吐量可达240Gbps，是目前较先进的RapidIO交换芯片[2]。CPS1848每个端口都可以灵活配置成1x、2x、4x三种模式，端口速率支持1.25Gbps、2.5Gbps、3.125Gbps、5.0Gbps、6.25Gbps 5种模式，而且芯片支持远距离传输，是板间互连的理想选择[3]。

TMS320C6678是TI公司推出的单片8核DSP芯片，整个芯片提供320G MAC定点计算或者160G FLOP浮点计算能力，提供多种多核之间的信息和数据交换方式，如EDMA、MessageQ Queue和QMSS等，具有高速运算能力的同时集成了多种对外数据交换接口，是目前应用较为广泛的信号处理芯片[4]。本文基于某“双DSP板+FPGA板”信号处理平台，研究了基于SRIO交换芯片的DSP接口设计。

1 接口设计

本节以某“双DSP板+FPGA板”信号处理平台为例，给出了DSP处理器SRIO接口的基本配置方法，并提供了DSP端对SRIO交换芯片的路由配置方法。

“双DSP板+FPGA板”信号处理平台架构框图如图1所示，该平台主要由3片DSP处理器TMS320C6678、1片SRIO交换芯片CPS1848和1片FPGA处理器组成。其中DSP0主要用作控制处理，与板内FPGA的通信采用SRIO直连，而DSP1、DSP2、FPGA用作运算处理，通过交换芯片CPS1848实现双DSP板内两片DSP之间的SRIO互连，以及双DSP板与FPGA板间的SRIO互连。

鉴于DSP编程方便快捷且有成熟稳定的维护包(Maintenance Package)，DSP端在配置与维护自身SRIO接口的同时，也提供了对CPS1848的配置与维护，而FPGA端则可保持原来的SRIO直连配置不变。

图1 信号处理平台架构框图

1.1 基本配置

通过CPS1848进行SRIO互连的DSP芯片，其接口的基本配置与片间直连有诸多相同的地方，在此不再赘述。由于桥接到了交换芯片上，DSP端SRIO接口的设计必须参考CPS1848的配置约束，这里重点对端口速率、通道模式以及设备ID号三方面进行说明。

首先是SRIO的端口速率。TMS320C6678的端口速率原本有1.25Gbps、2.5Gbps、3.125Gbps、5.0Gbps 4种模式可选[5]，由于SRIO链路两端节点的工作速率必须相匹配，因此DSP端需要考虑CPS1848的配置速率。CPS1848的初始工作速率由管脚Speed Select(SPD[2:0])决定，具体设置如表1所示。本平台的硬件板卡在设计成型时，管脚的配置电阻就已经决定了端口的初始速率，虽然可以通过软件代码修改端口速率，但如果没有特殊需求，建议用户还是采用默认的配置速率。

表1 CPS1848端口速率配置表

Value on the Pins (SPD2,SPD1,SPD0)Port Rate (Gbaud)0001.250012.501X5.0100Reserved1013.12511X6.25

其次是SRIO的通道模式。与端口速率类似，SRIO通道模式的配置也与硬件板卡的设计相关。以本平台为例，DSP端SRIO的4个Lane都连接到了CPS1848上，原则上来说通道模式在1x、2x、4x中可选，但是以4x模式速率最优，因此建议用户把SRIO的通道模式配置成4x模式。

最后需要重点说明一下设备ID号的配置。设备ID号是SRIO收发数据时的重要参数，可使用16位数字ID或8位数字ID表示，但要求每个设备ID号不能重复。以本平台为例，3片DSP、1片FPGA、1片CPS1848共5个器件，需要配置5个不同的设备ID号，注意CPS1848需要占用一个设备ID号。由于CPS1848的路由表配置与设备ID号相关，而路由表配置是有一定参照约束的，具体约束要求如表2所示，因此桥接到CPS1848上的DSP1、DSP2、FPGA三个设备ID号不能随意设置，需要满足表2的约束要求。

表2 CPS1848路由参照约束表

Port Value RangeReference ToAllowed in Device Route TableAllowed in Domain Route Table0x00-0x11Port NumbersYesYes0x12-0x3FReservedNoNo0x40-0x67(0x40+Mask Index)Multicast MaskYesNo0x68-0xDCReservedNoNo0xDDForce LocalNoYes0xDEDefault RouteYesYes0xDFNo RouteYesYes0xE0-FFReservedNoNo

1.2 路由配置

前文提到过，CPS1848的配置是在DSP端通过Maintenance包对CPS1848寄存器进行操作实现。DSP在配置路由表之前需要先对CPS1848进行初始化配置，主要包括以下步骤：

1)配置超时寄存器Timeout Control CSR(地址0x000120)；

2)配置端口使能寄存器Port {1…17} Control 1 CSR(地址0x00015C + 0x20*port_num)；

3)配置端口状态寄存器Port {1…17} Error and Status CSR(地址0x000158 + 0x20*port_num)。

初始化配置完成后，DSP对路由表的配置主要是通过对Standard Route Table Entries Configuration destID Select CSR寄存器(地址0x000070)和Standard Route Table Entry Configuration Port Select CSR寄存器(地址0x000074)的配置实现的。其中，前者对应与CPS1848连接的每个芯片的设备ID号，后者则对应每个芯片与CPS1848连接通道所映射的端口号。

CPS1848内部端口分为4个象限(Quadrant)，端口宽度由管脚Quadrant Config(QCFG[7:0])决定。其中端口0、4、8、12、16属于Quadrant0，端口宽度由QCFG[1:0]决定；端口1、5、9、13、17属于Quadrant1，端口宽度由QCFG[3:2]决定；端口2、6、10、14属于Quadrant2，端口宽度由QCFG[5:4]决定；端口3、7、11、15属于Quadrant3，端口宽度由QCFG[7:6]决定。文献[2]给出了CPS1848端口的具体配置，通过查表可获得通道(Lane)与端口(Port)的映射关系。

以本平台为例，CPS1848的QCFG[7:0]默认配置为0，而DSP1、DSP2、FPGA配置的通道模式均为4x模式，那么通道与端口号之间就是以4个Lane为间隔进行映射。比如，DSP1连接到CPS1848的Lane 16-19，那么它对应到端口号就是Port 4，以此类推可获得DSP2和FPGA的端口号。确认完各个芯片所连接的端口号后，DSP通过Maintenance包把对应的设备ID号和端口号写入CPS1848相应的寄存器，即可完成路由表的配置。

2 链路维护

基于DSP的编程优点，在DSP端对SRIO链路进行维护是非常便捷有效的方法。本节给出了一种SRIO链路的维护方法，以实现数据的可靠传输。

在正常情况下，硬件板卡上电后，SRIO链路完成初始化配置，各节点间就可以进行正常的数据传输。SRIO一次数据传输流程为：发送端产生一个请求包给接收端，接收端收到后返还一个响应包给发送端。图3给出了典型的请求包和响应包的格式，包结构中各段及含义分别是：

1)AckID：表示包的序列号ID；

2)Prio：表示包的优先级；

3)TT：指定Device ID是用8 bit或16 bit表示；

4)Ftype：表示包的类型；

5)Target ID：表示包的目的地址ID；

6)Source ID：表示包的源地址ID；

7)CRC：包结构的校验保护。

图2 SRIO请求包和响应包格式

在正常的数据传输中，我们一般只需指定发送包的类型、Device ID、源地址和目的地址，而作为物理层字段的AckID字符，由于它的初始值为0，且以増序循环赋值的方式被添加到数据包头部，在链路无异常时不存在失配的情况。然而当SRIO链路断开重连接或者某节点重启后，各节点的AckID未必能继续保持一致，此时若不重新匹配AckID就会导致后续传输数据失败。

理论上来说，链路某节点AckID的重匹配可以通过修改自身节点的AckID或者修改对端节点的AckID两种方法实现。以本平台为例进行说明，DSP1、DSP2、FPGA通过CPS1848的3个端口实现SRIO的互连，DSP1、DSP2和FPGA自身各有AckID，这里称之为Local AckID，对应CPS1848的3个端口上各有AckID，这里称之为Remote AckID。前文曾提到CPS1848的配置与维护主要是由DSP实现，因此各节点AckID的重匹配也是由DSP完成。

当DSP检测到链路异常时，AckID的重匹配有两种选择：一种是DSP向CPS1848发送一个“restart-from-error”命令，获得其对应端口的Remote AckID，然后用Remote AckID修正自身的Local AckID，从而使链路两端的AckID匹配；另一种是DSP把自身的Local AckID重置为0，然后通过Maintenance包把数值0x81000000写入端口AckID控制寄存器(地址0x000148 + 0x20*port_num)，使对应端口的Remote AckID重置为0，从而使链路两端的AckID匹配。

而当FPGA检测到链路异常时，由于FPGA并不对CPS1848操作，只能通过DSP进行AckID重匹配，此时DSP只剩下修改CPS1848端口AckID一种方法。具体实现过程为：DSP给FPGA一个复位信号，FPGA复位自身的SRIO模块，与此同时FPGA的Local AckID重置为0，然后DSP通过Maintenance包把数值0x81000000写入FPGA对应的端口AckID控制寄存器，重置对应端口的Remote AckID，从而完成FPGA端AckID的重匹配。

我们可以通过DSP访问CPS1848寄存器来实时获取SRIO的链路信息。比如：Port{1…17} Error and Status CSR寄存器(地址0x000158 + 0x20*port_num)，可实时监测端口状态；Lane{1…17}Status CSR寄存器(地址0x002010 + 0x20*lane_num)，可实时监测通道状态。此外，CPS1848还对用户提供了错误事件历史记录、包计数器和诊断计数器。当链路存在异常时，我们可以访问相关寄存器获知Error信息，从而快速有效地定位出链路问题来源。