原创 ARM S3C4510B与DSP6416互连的接口设计

1、导言

随着现代计算机技术和互联网技术的飞速发展，嵌入式系统成为当前IT行业最热门的焦点之一。32位ARM嵌入式处理器具有高性能、低功耗的特性，已被广泛地应用到消费电子产品领域和无线通信、网络通信等高端设备领域。DSP芯片由于功能强大，加上接口方便、软件可用资源丰富、编程方便、稳定性好、精度高等优点，应用越来越广泛。通常在嵌入式系统的设计中，由ARM嵌入式处理器实现整个系统的协调控制和网络功能，由DSP芯片来执行复杂计算，因此需要实现ARM处理器和DSP之间的数据交换。从某种程度上来说，ARM嵌入式处理器和DSP之间数据交换的速度决定了整个系统的运行速度和性能[1]。
本文结合一个实际的基于DSP6416实现实时视频压缩编码和传输系统项目的开发，研究ARM处理器和DSP芯片之间接口的设计，并且讨论基于uCLinux下接口（HPI口）驱动程序写方法。

2、系统的整体结构

该实时视频压缩编码和传输系统的详细结构如右图1所示：
本系统由ARM系统单元，DSP系统单元和FPGA系统单元构成。ARM系统单元主要完成控制DSP系统，从DSP系统中取出已经编码好的视频数据并发送到客户端。我们选用Samsung公司的ARM CPU S3C4510B作为ARM系统单元的主芯片。ARM4510B是基于以太网应用系统的高性价比16/32位RISC微控制器，内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC处理器核[2]。ARM7TDMI为低功耗、高性能的16/32位核，适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。DSP系统单元主要完成对FPGA采集进来的实时视频信号进行压缩编码。我们选用TI公司的TMS320C6416 DSP作为DSP系统单元的主芯片。TMS320C6416是现在市面上功能最强大的DSP芯片之一，其工作在600MHZ的主频下，速度足以达到完成实时视频数据压缩编码的要求。FPGA系统单元主要完成视频数据采集和缓冲作用。FPGA系统单元我们选用Altera公司现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）EPF10K100VRC240外加一片SDRAM来构成。

3、TMS320C6416 DSP的主机接口（HPI口）

 DSP的主机接口(HPI)是一个并行接口，通过该接口ARM微控制器可以直接访问DSP的内部存储器空间或地址映射到存储器空间的外围设备。C6416DSP中的主机接口可以被设置为HPI32和HPI16这两种模式。为了发挥ARM和DSP6416 32位机的优势，提高存取数据的速度，设置C6416工作与HPI32模式下。
TMS320C6416 DSP与外部ARM微处理器通过单独的32位数据线HD0~HD31和8条控制线进行连接。ARM微处理器通过HPI口访问DSP内部的RAM以及其他一些外部资源。在整个ARM微处理器与DSP芯片通过HPI接口进行通信和数据交换的过程中，除了中断ARM和清除ARM发过来的中断需要DSP本身参与外，其他操作DSP都处于被动的地位，几乎不用进行其他的操作[1]。所以对于ARM来说，DSP系统单元就相当与一片外接的SDRAM。
TMS320C6416的HPI口是一个16/32位宽的并行接口。它具有两条地址线HCNTRL [1:0] ,负责对HPI口的内部寄存器进行寻址。HPI口只有三个32位内部寄存器，分别是控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA和数据寄存器HPID。HPI口内部有一个用户不可见的EDMA地址产生器和一个8个32位字深的缓冲区，负责产生地址和数据调度[3]。用户只需对上诉三个HPI口寄存器进行相应的读写操作，就能完成对DSP内存空间的访问。

4、DSP6416与S3C4510B连接的硬件设计

 由于S3C4510B中没有完全符合DSP6416 HPI接口时序的外部接口可以直接使用，因此我们选用S3C4510B中时序最接近HPI接口时序的外部I/O接口同DSP6416进行连接。在实践中我们还使用一些其他的信号线来协助外部I/O接口完成模拟HPI接口时序的工作，最后通过编程使S3C4510B的外部I/O接口的时序完全符合DSP6416 HPI接口的需要。设计的ARM与DSP接口的硬件连线如下图2所示：

S3C4510B只需要寻址HPI接口的3个寄存器，根据对这3个寄存器的寻址关系，将主机的两根地址线（ADDR2、ADDR3）分别接到DSP的（HCNTL0、HCNTL1），就可以在编程时使地址线出现要求的高、低电平，从而完成对不同寄存器的访问。我们用S3C4510B的外部I/O接口BANK1来同DSP6416相接，将外部I/O接口BANK1（地址为0x3FD4000－0x3FD8000）的片选信号nECS1接到HPI接口的片选信号HCS，这样只要对BANK1进行操作，就可以产生相应的片选信号。由于S3C4510B没有HR/W信号，所以选用ADDR4来代替该信号和HPI口的HR/W相接，只要对地址的ADDR4位为1或0的地址进行操作就可以产生高或低电平，从而选择HPI口处于写还是读状态。将S3C4510B的外部I/O接口BANK1的信号线nOE和nWBE1分别接到HPI口的HDS1和HDS2，使它们和nECS1一起通过一定的逻辑运算（[NOT (nOE XOR nWBE1)] OR nECS1）组成数据闸门信号nHSTROBE（内部信号）。nHRDY为DSP就绪指示信号，由DSP产生。所有读写操作都必须在nHRDY信号有效时进行。将nHRDY信号经过反相后接到S3C4510B的nEWAIT（等待信号）上面，这样在DSP没有准备好数据的时候可以延长ARM的读写周期，使ARM处于等待DSP就绪的状态。nHINT信号是HPI口的中断信号，他既可以由DSP产生，从而中断ARM，也可以由ARM产生来中断DSP。我们将中断信号接到S3C4510B上的外部I/O口P8上，这样我们既可以由P8口产生信号中断DSP，也可以在P8口侦听来自DSP的中断信号。

5、DSP6416与S3C4510B连接的软件设计

在硬件连接设计好的基础上，我们还需要通过正确的编程才能实现我们预想的时序。因为我们在ARM S3C4510B上运行嵌入式操作系统uClinux，所以在写程序对HPI接口进行读/写操作时将HPI接口看作一个外部设备，将完成读/写操作的程序看成在uClinux下面的一个字符型驱动。这样软件的设计就变成了在uCLinux下面驱动程序的开发。考虑到S3C4510B不光要将DSP压缩编码完成的数据取过来，而且还要将这些数据传送到网络上去，这就需要这两者之间有很好的配合。
本程序的具体设计大体上可以分成两部分，一部分是对HPI接口进行读/写的程序，另外一部分属于网络编程。由于本文重点是讲解ARM CPU与DSP之间的接口问题，所以在这里介绍HPI接口读/写程序。
 S3C4510B与DSP6416之间的HPI接口读/写程序主要由两个部分组成：1、ARM自身的初始化；2、HPI接口读写程序。
4.1、ARM处理器自身的初始化
 ARM处理器首先要完成自身工作模式等一系列的初始化，才能正常进行HPI接口的读/写，源代码如下所示。
SYSCFG     =  0xe7fffe22;
file://关掉ARM中的Cache
EXTDBWTH  =  0x0ffff556;
file://使外部I/O接口BANK1工作于32位的模式
EXTACON0   =  0x08610000;
file://配置外部I/O接口BANK1的读写时序各控制线之//间的时序关系
上面这段代码主要是对几个寄存器进行配置。在配置好ARM处理器的工作模式后，对外部I/O接口BANK1的对应地址进行读/写操作，就可以完成对HPI接口的相应操作了。

4.2、HPI接口读写程序
以下这些宏定义了DSP6416的HPI接口寄存器的地址。对于本设计来说，已经将HPI口与外部I/O接口的BANK1相接，这样HPI口将占用外部I/O接口BAN1的地址。由于是使用ADDR4来模拟HPI32接口的HR/W，所以对同一个寄存器分别进行读/写操作时，在这里看来是对不同的地址进行相应的操作。
#define HPI_BASE        0x3fd4000      
#define  VPint     *(volatile unsigned int *)
/*定义HPIC寄存器*/                                       
#define  HPICW  (VPint (HPI_BASE+0x0))     0   0   0   0   0   0   0                 
#define HPICR   (VPint (HPI_BASE+0x40))    0   1   0   0   0   0   0  
/*定义HPIA寄存器*/
#define  HPIAW  (VPint (HPI_BASE+0x10))    0   0   1   0   0   0   0
#define  HPIAR   (VPint (HPI_BASE+0x50))    1   0   1   0   0   0   0
/*定义HPID寄存器*/
#define  HPIDW   (VPint (HPI_BASE+0x20))    0   1   0   0   0   0   0
#define  HPIDR   (VPint (HPI_BASE+0x60))    1   1   0   0   0   0   0
 在定义好上面的宏以后，通过HPI驱动程序就可以将DSP中压缩编码好的视频数据通过HPI口读出来，并送到开辟的用户缓冲区中，等待取完2k大小的数据后再通过网络发送到用户端去。给出HPI驱动程序中读/写数据部分的关键源代码如下[4]：
…
for(i=0;i<hpiSize;i++)
{
  HPICW=0x00000000;
file://初始化HPI口的控制寄存器
HPIAW=0x80000000;
file://初始化HPI口的地址寄存器，读DSP中地址为0x80000000的存储单元的数据
hpiBaseAddr=HPIDR;
file://通过HPI口读出2K大小的编码数据，并送到数组hpiBaseAddr[ ]中暂存
 }
  CpLen= hpiSize;
  if(copy_to_user( buffer ,(__u8 *)(&hpi->hpiBaseAddr[j]), CpLen))  return -EFAULT;
  file://将暂存在数组hpiBaseAddr[ ]中的数据拷贝到用户缓冲区进行保存。
return CpLen;
…

6、结束语

 随着科技技术的不断发展，以后基于DSP芯片来执行计算密集型操作，ARM芯片来完成控制，两者配合工作的系统会得到越来越多的应用。而这两者之间能够高效、快速并且稳定的进行数据交换将是影响系统性能的关键部分之一。本文给出的S3C4510B和C6416之间的硬件连接方法和软件设计已经得到过实践的验证，是可行的和满足要求的。不同型号的ARM和DSP之间的接口设计也可以参照本文介绍的方法进行。