（信号与信息处理专业论文）基于dm642和tcpip协议的声纳信息传输系统的设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 目前声纳水下和水上单元的信息交换形式多是采用自行设计的支持p c i 总线或其他总线加驱动的硬件系统进行的。这些方法有很大的局限性，比如 测试困难、硬件不规范、传输稳定性差等等。因此有必要开发一种对各种声 纳水下水面单元的信息传输普遍适用并且能够将d s p 等嵌入式系统和 i n t e m e ! t 方便快捷地连在一起的规范化的声纳信息传输系统。为此本论文结合 多波束剖面声纳系统进行了以下的开发和研究工作； 1 、硬件平台设计与实现。多波束高精度剖面声纳系统采用两片 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 并行来完成系统的信号处理和传输任务。因此硬件设计包括 两部分，一部分是借助于f p g a 逻辑设计，通过主机接1 ：3 ( h p i ) 实现两片 d m 6 4 2 的并行处理；另一部分是利用d m 6 4 2 的以太网控制器外接物理层芯 片啪7 1 a 实现网络互连。 2 、软件方案论证。结合嵌入式系统的特点和实际需求，提出了嵌入式 t c p f l p 协议栈，然后分析了其所包含的基本协议，并对各种不同方案进行了 比较，阐述了本文选择公开源码的嵌入式实时操作系统r t c o s 1 i 和公开源码 的轻量级t c p i p 协议栈1 w l p 实现方案的原因。 3 、软件实现。该部分详细介绍了系统的软件实现和软件测试，软件实现 包括两片d m 6 4 2 并行的实现、网络驱动程序的编写、u c 0 s 在d m 6 4 2 上 的移植、1 w i p 的移植以及套接字编程；软件测试则包括嵌入式实时操作系统 i _ t c o s - i i 的测试和轻量级t c p ，i p 协议栈i m p 。 声纳信息传输系统调试通过后，功能达到了预期的指标，先后参加了水 池试验、外场水槽试验和海上试验，在所有的试验过程中，声纳信息传输系 统平台工作稳定可靠，有力的保障了试验的顺利进行，充分验证了所选方案 的正确性。 关键词：剖面声呐；嵌入式t c p i p 协议栈；1 w i p ；i 1 c o s i hd m 6 4 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , i n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nc e l l so fu n d e r w a t e ra n da b o v e w a t e ri sc o m p l e t e db yh a r d w a r es y s t e mw h i c hi sd e s i g n e db yo n e s e l f w i t hp c io r o t h e rb u sa n dd r i v e rc i r c u i t t h e s em e t h o d sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s s u c ha s d i f f i c u l tt e s t i n g ，u n c r i t e r i a lh a r d w a r e ，t h ei n f e r i o rs t a b i t i t yo ft r a n s m i s s i o na n ds o o i ls oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pas o n a ri n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c h c a l la d a p tt om a n yk i n d so fs o n a r sa n dc a nc o n n e c te m b e d d e ds y s t e me g d s pa n d i n t e r a c tc o n v e n i e n t l y d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hw o r kb a s e do nm u l t i - b e a m p r o f i l e ri nt h ep a p e ra r et a k e na sf o l l o w s ： 1 n 峙d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f h a r d w a r e t h et a s k so fs i g r l a lp r o c e s s i n g a n dd a t at r a n s m i s s i o na r ec o m p l e t e db yt w op a r a l l e lt m $ 3 2 0 d m 6 4 2 t h e r ea r e t w op a r t sa b o u th a r d w a r ed e s i g n ：o n ei sa c c o m p l i s h i n gt w od m 6 4 2p a r a l l e lv i a h p id e p e n d i n go nf p g al o g i cd e s i g n , t h eo t h e ri sa c c o m p l i s h i n gn e t w o r k t r a n s m i s s i o nb yc o n n e c t i n gt of a s te t h e r n e tp h yt r a n s c e i v e rl x t 9 7 1 a 2 耵1 ea r g u m e n t a t i o no f s o f t w a r er e a l i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f e m b e d d e ds y s t e ma n dp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t , w eu s ee m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l s t a c kt oa c c o m p l i s ht h en e t w o r kt r a n s m i s s i o n a f t e ra n a l y z i n gt h eb a s i cp r o t o c o l ， s o m ed i f f e r e n tr e a l i z a t i o nm e t h o d sa r ec o m p a r e d a tl a s t ，t t c o s - i i ( ae m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mw h i c hh a so p e ns o n r c ec o d e ) a n dl w i p ( at c p i i p p r o t o c o ls t a c kw h i c hh a so p e ns o u r c ec o d e ) a r ec h o s ea n dw h yt h i s m e t h o di s c h o s ei sg i v e n 3 s o f t w a r er e a l i z a t i o n t 1 1 es o f t w a r er e a l i z a t i o na n dt e s t i n ga r ed i s c u s s e di n t h i sp a r t s o f t w a r er e a l i z a t i o nc o n t a i n st w op a r a l l e ld m 6 4 2 ，d r i v e r sf o rn e t w o r k e q u i p m e n t , t h et r a n s p o r t a t i o n o fi t c o s 1 1a n d l w l p , s o c k e t sp r o g r a m m i n g s o f t w a r et e s t i n gc o n t a i n st t c o s i it e s t i n ga n dl w i pt e s t i n g a f t e rs u c c e s s f u l l yd e b u g g e d , s 0 1 1 a rt r a n s m i s s i o ns y s t e ma c h i e v e sd e s i r e da i m i no r d e rt ot e s tt h ea c t u a lp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m , s o m ee x p e r i m e n t sw e r ed o n e t h es y s t e mw o r k e ds t a b i l i z e ds t e a d i l ya n dr e l i a b l y , w h i c hf o r c e f u l l yg u a r a n t e d e x p e r i m e n t sw e r es u c c e s s f u l l yd o n e k e yw o r d s ：p r o f i l e r ；e m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c k ；1 w i p ：p c o s - h ；d m 6 4 2 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：缢a 二盘 日 期：砀唧年岁月矽日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 我国属于海洋国家，海域辽阔，海岸线有1 8 0 0 0 多公里。海底开发的矿 产种类非常多，并且储量非常丰富。海底资源的开发和利用必然会促进我国 现代化建设的快速发展。在实际开发中，需要对矿区特定海底场所详细测绘 以及对富钴结壳矿区小范围的地层观察。此外，国内外海洋石油界的研究表 明，由于对海底地层测量的精度不够，海底油管敷设不当，造成石油泄漏的 影响远超过失事油轮产生的污染。所有这些都需要获得高分辨率的海底底层 信息。 同时，我们知道我国有着大量的湖泊和水库，它们的干堤绝大部分是经 历代加高培厚而成，堤基及填筑情况复杂，堤防隐患的任务非常艰巨。堤防 隐患是造成汛期重大险情的主要因素之一，如果能够事先探测出来，获得堤 坝内部的破裂坏损的位置并进行维修、加固处理等措施，则可以使险情大为 减少，同时也使除险加固更有针对性。 因海洋开发和堤坝安全探测的需求使得利用水声技术的高分辨率剖面声 纳技术越来越受到重视。 结合实际的海洋石油管线探测项目需求，水声工程学院通信与图像通信 实验室独立设计和研制开发了高分辨率多波束剖面声纳，该高分辨率多波束 剖面声纳可以方便的由r o v i a u v 等水下载体携带，为海底掩埋目标的检测 与识别提供了完备的探测和检测手段，由于具有较高的分辨率，可以检测探 测底面掩埋目标的位置；从两不仅可以探溅江、河、潮、泊及水库酶堤坝内 部的管涌、裂缝，而且还可以探测海底掩埋沉船、管线等目标，同时剖面成 像速度快，从而能够对水下掩埋目标进行实时成像。 多通道、全数字化剖面声纳系统不仅能够提供实时的高分辨率分层图像， 而且通过数据融合技术还能够获得被测区域内部的三维结构模型。典型的剖 面声纳系统结构如下图1 1 所示。 声纳数据处理技术发展的一个特征是采用数字信号处理技术，这使得数 据的实时处理成为可能，从而大大提高了信号处理的性能。在实际的声纳信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 “ i # t l 图i 1 典型剖面声纳系统结构 号处理的过程中，数据都是以帧为单位进行更新的，每帧的长度一般为微秒 或毫秒级，处理器必须在特定时间段之内完成处理并输出结果，因此剖面声 纳系统选用了专门用于数字信号处理的d s p 处理器。另外，实时处理要求处 理器具有极高的处理速度，能够对外部事件迅速做出反映，并且具有强大的 i o 吞吐能力，然而由于现阶段依靠单片d s p 并不能实时完成一些比较复杂 的算法，剖面声纳采用了多片d s p ( t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ) 进行信号处理， 同时负责管理信号的传输任务。 由于剖面声纳是搭载在无人潜器上，因此水下大量数据需要远距离上传 到水面上主机。成像深度、增益控制级、显示模式等操作控制参数能够实时 的装载到系统中，同时水面主机也要发送一些命令给剖面声纳。这些数据的 传输还要经过光纤网络，因而需要高速的数据通信协议进行互连。 传统的串口、并口等接口虽然简单，但是传输速率慢不能满足剖面声纳 需要大批数据需要上传的要求。剖面声纳通常采用的办法是采用自行设计的 支持p c i 总线或其他总线加驱动电路的硬件系统。驱动电路有多种实现方式， 比如利用c y p r e s s 公司的数据收发器c y 7 8 9 2 3 9 3 3 来完成远距离的数据收 发，如图1 2 所示“： c y 7 8 9 2 3 9 3 3 的性能特点如下： 适用于f i b r ec h a n n e l 、1 1 3 me s c o n 、a = r m ； 8 b 1 0 b 编码传输或不编码直传，传输速为1 6 0 、3 3 0 、4 0 0m b p s 三档； 最大传输距离( 3 3 0 m b p s 的参考值) 为：光纤几千米，同轴电缆1 5 0 米，屏 蔽双绞线8 0 米，非屏蔽双绞线4 0 米； 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 具有较强的自检功能； 单一+ 5 v 电源； t t l 同步i o 。 图1 2c y 7 8 9 2 3 9 3 3 在数据传输系统中的连接方式 这种方法配合串口下传命令能够满足剖面声纳的需求，但是这些方法有 很大的局限性，比如测试极不方便、硬件不规范、传输稳定性差等，并且在 水面上主机利用c y 7 8 9 3 3 接收数据后还要通过p c i 总线或者做其它转换后 才能读入主机中，电路板插拔不交，测试起来还要编写专门的程序，因此本 系统没有采用这种方式，而是经下面分析后采用了另一种方案来进行数据传 输。 复杂的数据通信系统不会使用单一的协议来处理所有的传输任务，丽是 需要一整套相互合作的协议所组成的集合，通常成为协议簇。这是因为通常 在数据传输过程中可能会出现各种各样的问题，比如硬件失效，数据损伤， 数据重复或者乱续等，而协议簇必须能够解决这些问题。 在所有的协议簇中，t c p ，i p 协议簇是应用最成熟的一种，它已经成为互 连网上事实的通信标准，而且它的传输效率非常高，因此本系统选择在剖面 声纳平台上实现t c p i p 协议。 选择t c p i p 协议的另外一个原因是，近年来由于嵌入式系统( 尤其是采 用d s p 处理器作为核心处理器的嵌入式系统) 的迅猛发展，联网已经成为嵌 入式系统发展的必然趋势。随着i n t e m e t 的发展，人们期望各种嵌入式设备 通过i n t e m e t 联在一起，提供广泛的信息共享和通信控制功能。嵌入式系统 接入i n t e m e t 已经成为当前的一个研究热点，即嵌入式i n t e m e t ( e m b e d d e d i n t e m e t ) 。 实现嵌入式i n t e r n e t 的首要条件便是在嵌入式系统中实现t c p i p 协议； 剖面声纳采用的核心处理器是t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，因此本论文研究基 于d m 6 4 2 和t c p i p 协议的声纳信息传输系统。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 本论文的结构 本文的研究是结合剖面声纳进行的，内容是基于d m 6 4 2 和t c p 佃协议 的声纳信息传输系统的设计与实现，包括硬件实现和软件实现两方面，全文 分为五章。 第一章介绍了研制剖面声纳的必要性，然后阐述了为迸行实时处理而采 用d s p 处理器以及在d s p 处理器上实现t c p 协议的必要性。 第二章首先介绍了剖面声纳的信号处理流程，接着对硬件平台所用的主 要芯片进行了介绍，随后介绍了硬件平台各部分的具体实现，包括通过h p i 实现两片d m 6 4 2 并行以及网络传输部分的硬件设计。最后介绍了d m 6 4 2 与 x c 2 v 1 0 0 0 5 f g 2 5 6 集成开发环境和各自的代码开发流程。 第三章首先对t c p i p 协议簇进行分析，引出了嵌入式t c p i p 协议栈， 并结合硬件平台讨论了各种方案，并对1 1 提供的方案和实际采用的方案进行 了详尽的阐述。 第四章主要介绍了软件的具体实现，包括嵌入式实时操作系统p c o s i i 和i m p 协议栈的移植以及应用软件的整体框架。 第五章主要介绍了系统参与的水池和外场试验，验证了系统的可靠性。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章声纳信息传输系统硬件平台的设计与实现 2 1 硬件系统概述 本论文是结合国家“8 6 3 ”项目“海底石油管线外探测多波束高精度剖 面系统”，本硬件平台也是结合该项目来完成的，因此首先介绍一下剖面声 纳的信号处理与传输流程。 水下处理单元主要以d s p 并行处理模块为核心，辅以网络接收、数据存 储、交换总线。采用对称式结构，能够完成系统算法的流水线并行处理，计 算过程中数据传输通道带宽不影响数据处理进程。 多波束剖面声纳系统采用宽带3 5 6 5k h z 线性调频信号进行探测，系统 的采样频率为5 0 0 鼯 z ，接收9 路的基阵信号，并且要求系统具有较高的探 测能力。进行海底的剖面探测，需要对接收的多波束信号进行带内补偿、波 束形成、相关、旁瓣抑制、以及f i r 滤波等处理，系统需要能够实时( i o 帧 秒以上) 显示剖面结果并且存盘。 为了满足多波束剖面声纳的高速、大容量数据的实时信号处理需求，在信号 处理系统部分采用了2 片d s p ( t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ) 流水线的并行结构。如图2 1 所示为并行处理板结构，该并行处理板由2 片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 6 0 0 构成，应 用该芯片一方面由于其高速的处理能力，另一方面由于该芯片具有1 0 1 0 0 m 以太网接口，可以方便实现处理板间的网络数据互连，从而可以实现系统的 并行数据处理。 图2 1 并行处理板结构图 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该板中，左端d s p 为从d s p ，负责通过其自身网口接收来自换能器的数 据，根据显示速度要求，接收转换后的信号数据，存储到其外围的s d r a m 中，当接收到一帧后转入并行处理程序，此时左右两片d s p 采用流水线并行 处理方式。 并行处理时左端d s p 负责接收，右端的主d s p 可以通过h p i 接口读取 左端d s p 的内部及外部$ d r a m 的数据，同时左右两端的d s p 通过双端口 f i f o 进行数据交换，邮箱信息传递等。多波束剖面声纳信号处理需要将9 路 波束数据，每路7 5 0 0 点1 6 b i t 数据进行f f t 、频域波束形成、频域相关算法、 i f f t 、时域f i r 滤波、时域加权压制旁瓣等算法。 由于t id s p 所采用的指令内部“取指”、“分析”、“执行”的三大操 作步骤采用的是流水线工作流程，因此可以利用多个任务在时间上相互错开， 轮流重叠的使用同一套设备上的不同运算单元，来加快系统的计算速度，丽 不是像以往单一系统顺序执行，流水线的并行执行时间大大降低了整个系统 任务的执行时间总和。为了保证两个d s p 的负载任务平衡，使系统工作时， 流水线并行处理板能够真正的以流水线的形式并行处理剖面的数据，现将每 块并行处理板内任务进行划分。以两个d s p 为流水线并行处理单元，每个 d s p 的任务要求负载平衡，如图2 2 所示为系统单个d s p 负载的划分，所设 左墙d ”自d 口 图2 2 并行处理板任务划分 计出的硬件平台如图2 3 所示。 2 2 主要芯片资料介绍 2 2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 介绍 2 2 l 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的特点 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列数字信号处理器( d s p ) 是t m s 3 2 0 系列d s p 家族的 重要系列。该系列d s p 芯片具有定点和浮点两种，其中t m s 3 2 0 c 6 2 x 和 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 c 6 4 x 为定点系列，而t m s 3 2 0 c 6 7 x 为浮点系列“。d m 6 4 2 是t 1 公司2 0 0 3 年推出的一款针对多媒体处理领域应用的高速d s p 处理器，基于 c 6 4 x 核心架构，集成了丰富的外围设备和接口，最高主频可达7 2 0 m h z 。并 图2 3 网络平台的版图 行处理指令的能力最大可达每个指令周期处理8 条3 2 位指令，因此最大指令 处理速度为5 7 6 0 m i p s 。该d s p 为5 4 8 脚b g a 封装，高度集成化。其功能模 决图如图2 4 所示。 主要外部设备包括： 三个可配置的视频接口，可以和视频输入，输出或传输流输入无缝连接。 v c x o 内插控制端口( v t c ) 1 0 1 0 0 m b p s 以太网d ( e m a c ) ，8 个发送通道和8 个接收通道 数据管理输入输出模块( m d l 0 1 多通道音频串行端i ( m e a s p ) 1 2 c 总线模块 两个多通道有缓存的串i ( m e b s p s ) 三个3 2 - b i t 通用定时器 用户可配置的1 6 - b “或3 2 - b i t 的主端口接 2 1 ( h p l l 6 h p l 3 2 ) 6 6 m h z3 2 b i t 的p c i 接口 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 6 个通用i o 端i z i ( g p i o ) ，部分与中断口或h p i 口复用 6 4 - b i t 的外部存储单元接口，支持和同步或异步存储单元的连接 | c ! 引 匠蛩 1 黜l j 噩至r = a 固 i 妯肇妊舶闰 一 圄 印 一舻 一 圄 匡 、：刮 图2 4d m 6 4 2 功能模块图 2 2 1 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的内核结构 d m 6 4 2 的c p u 内核主要有以下几部分组成： 指令取指单元； 指令分配打包单元； 指令译指单元； 两个数据通道，各自对应4 个处理单元； 控制寄存器文件； 控制逻辑； 测试，调试，中断逻辑。 即如图2 5 所示： d m 6 4 2 取指单元使用8 指令的取指包，并且依次通过p g 、p s 、p w 和 p r 四个节拍，如图2 6 所示。 各个节拍的功能如下： p g ：程序地址产生； p s ：程序地址发送； 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p w ：程序地址访问等待； p r ：程序取指包接收。 图2 5d m 6 4 2 内核结构图 图2 , 6d m 6 4 2 取指组成图 罔瓶 畦匪三 雕三 寥 恢二 忡埘l 雕兰 ： s k 一 节； 囱垡 霞巨； l g ! 卜一 匪琏土 篇甲 一罐匪* | 要献 l ! ! 掣 图2 7 d m 6 4 2 数据通道图 指令的读入是通过数据通道完成的，d m 6 4 2 有两个数据通道a 和b ， 9 一一尸朦一， 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 每个数据通道由四个处理单元( l 、s 、m 和d ) 和3 2 个3 2 位寄存器组成。 各个处理单元的功能如下； l ：主要负责算数和比较操作； s ：主要负责移位、逻辑运算以及分支转移等： 。m ：主要负责乘法操作； d ：主要负责加减法以及数据存取操作。 d m 6 4 2 各功能单元除了使用自己的数据通道对寄存器文件进行直接读 和写操作外，由于交叉通道的存在，各功能单元也可以从一个数据通道对另 外的寄存器文件进行读写操作，这大大增加了编程的灵活性，如图2 7 所示。 2 2 1 3 硬件平台所用的主要外设接口 为满足多媒体的需要，d m 6 4 2 提供了丰富的外设接口，其中包括外部存 储器接1 3 ( e m i l ：) 、音频、视频、以太网口、内部集成电路模块( 1 2 0 、多通道 缓冲串c i ( m c b s p ) 、外围设备互连1 ：3 ( p c i ) 、主机接口( h o s t p o r t i n t e r f a c e ) ，本 节介绍网络硬件平台所使用的外设接口。 1 ) 主机并行接口。主机并行接l 口( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) 是d m 6 4 2 的一个并 行接1 ：3 ，它使得主处理器( 在本系统中为另一块d m 6 4 2 ) 可以通过其直接访问 c p u 的存储器空间，本硬件平台正是利用h p i 实现两片d s p 的互联，从而 使得整个处理过程达到了并行。主机和c p u 可以通过内部或外部存储器交换 信息，也可以直接访问存储器映射的外设。h p i 与c p u 存储空间的互联是通 过d m a 或增强的d m a ( e d m a ) 控制器实现的，如图2 8 所示。 i 一卜 _1 f l 一卜 i 糕吲 器卜 l t 女一h “ ll 陋强鞭由蹰 ，i 一一i 一”。 图2 8 e d m a 示意图 主机和c p u 都可以访问h p i 控制寄存器( h p i c ) ，通过外部数据和接口控 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ | _ _ _ _ _ _ _ _ _ i ii _ _ _ e _ _ 制信号，主机可以访问h p i 地址寄存器( t - i v t a ) 、h p i 数据寄存器o p i d ) 和 h p i c 。d m 6 4 2 的c p u 可以直接访问h p i a 寄存器。主机和c p u 的引脚接口 示意图如图2 9 所示。 图2 9 d m 6 4 2 的h p i 引脚接口图 d m 6 4 2 的h p i 口提供了两种数据宽度，1 6 位和3 2 位，由于部分数据线 是与e m a c 复用的，因此只能选择1 6 位，可以通过h h w i 来识别传输的是 第一还是第二个半字。 2 ) 以太网口。为方便进行网络互联，1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 通过配置一以太网 口来连接d s p 核和外部网络，本系统是为了方便的通过光纤向岸上主机传送 数据而选择以太网。该以太网口具有以下几种功能”： e m a c 作为d m a 主控制器访问d s p 的内部或外部存储器空间； 标准的m i i 接口，可直接连接到p h y ； 8 个接收发送通道，且具有硬件流控剑功能及服务质量保证( q o s ) 支持； 同步1 0 m 1 0 0 m 自适应模式； 为一个单独通道选择广播桢； 具有4 k 字节的缓存，减少c p u 的中断次数： 传输过程中c r c 自动生成： 能工作在半双工或全双工模式下。 为了方便d s p 同外部物理层收发器件的连接，d m 6 4 2 提供了管理数据 输入输t i ( m d i o ) 摸式，如图2 1 0 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 le t , l t , t 2 # m n _ i _ m 图2 ，l oe m a c 控制模式方框图 3 ) 外部存储器接口”。d m 6 4 2 的e m i f a 是一个总线宽度为“位的接口， 可以实现与多种同步和异步器件的无缝连接，包括以下几种：流水线的同步 突发s r a m ( s a s m 甜m ) ，同步d r a m ( s d r a m ) ，异步器件( 包括s r a m ，r o m 和f i f o ) 等。d m 6 4 2 共有四个片选空间，c e 0 、c e l 、c e 2 和c e 3 ，每个存 储空间均可单独对8 、1 6 、3 2 、6 4 位数据进行操作。最高总线周期可达1 3 3m h z , 本系统在两片d m 6 4 2 进行互联时，主处理器采用的是异步接口，映射到c e 3 空间。 2 2 2x c 2 v 1 0 0 0 5 f g 2 5 6 介绍 x c 2 v 1 0 0 0 5 f g 2 5 6 属于x i l i n x 公司的v i r t e x i i 系列f p g a 。v i r t e x - i i f p g a 是x i l i n x 公司推出的第一个基于p l a t f o r m 的f p g a 解决方案；具有 i p i m m e r s i o n 结构，内部时钟可高达4 2 0 m l - i z ；y o 带宽可以高达8 4 0 m b s ； 具有高性能的时钟管理电路，包含多达1 2 个时钟管理器( d i g i t a lc l o c k m a n a g e rd c m ) ，内部有1 6 个全局时钟复用缓冲期；支持低功耗模式。 x c 2 v 1 0 0 0 5 f g 2 5 6 内部资源如表2 1 所示。 表2 1x c 2 v 1 0 0 0 5 f g 2 5 6 内部资源 s y s t e m c l b m u l t i p l i e r s e l e c t r a md c m sm a x g a r e s ( 1 c l b = 4s l i c e s = m a x1 2 8 b l o c k sb l o c k s b i t s ) p a d s a t r a y s l i c e sm a x i m u m1 8 - k b i tm a x r o w *d i s t r i b u t e db l o c k sr a m c o wr a m 【( k b i 妫 ( k b i t s ) l o m 1 2 8 x 6 1 。4 4 0l ，9 2 0 1 9 21 9 2 3 ，4 5 6 1 2 l ，1 0 8 1 2 0 v i r t e x - i i 系列f p g a 由多种用户可编程的配置单元组成，主要用于高密 度和高性能的逻辑设计。主要由输入输出块i o b s ( i n p u t o u t p u t b l o c k s ) 和内部 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可配置逻辑块c l b s ( i n t e r n a lc o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s ) 组成，如图2 1 l 所示”。 图2 1 1v t r t e x - i i 组成图 输入输出块i o b s 输入输出块是可编程的，可以分为输入口、输出口和双向口。如图2 1 2 所示。 图2 1 2v l r t e x - i ii o 方框图 可编程的逻辑块c l b s ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s l 每个可编程逻辑块包括4 个s l i c e ，2 个三态缓冲器。每个s l i c e 包含有2 个函数发生器( f & g ) 、2 个存储单元、多个算术逻辑门、快速超前进位链、水 平级连链( 即o r 门) 等。 时钟资源 v i r t e x i if p g a 有1 6 个时钟输入管脚，8 个在芯片的顶上，8 个在底下， 位于逻辑阵列的中间。相应的有1 6 个全局时钟多路缓冲器与之对应。每个全 局时钟多路缓冲器可以由时钟管脚自接驱动来分配时钟信号给各个器件，也 可以由d c m 驱动来分配时钟信号给各个器件。同时，全局时钟多路缓冲器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ i i _ _ _ _ i _ _ - l _ _ _ _ _ l 也支持差分对驱动。 2 3 硬件平台各个模块的设计与实现 根据剖面声纳数据处理的需要，网络信息传输系统硬件平台必须完成两 片d s p ( t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ) 的并行，因此系统的互连主要分为两部分，如图2 1 3 所示，即两片d m 6 4 2 的互连以及主d s p 与外部网络的互联。 图2 1 3 系统互联框图 2 3 1 两片d m 6 4 2 并行的设计与实现 2 3 1 1 硬件配置 从d m 6 4 2 处理器通过h p i 口向主d m 6 4 2 处理器提供数据，以完成网络 发送等操作。d m 6 4 2 提供的接口信号如图2 1 4 所示。 橱，盛 砸习i 一巨 倡l 图2 1 4d m 6 4 2 接口信号图 由于部分引脚信号与e m a c 接口信号冲突，因此只能选择h p l l 6 ，各个 引脚的信号描述如表2 2 ( 仅介绍h p l l 6 ) 。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 2h p l l 6 外部接口信号描述表 信号名称信号类型信号数主机连接信号功能 h d 1 5 - 0 】 i ，o ，z1 6 数据总线 h c n t l 【1 0 】 i2 地址或控制线h p i 访问类型控制 h h w i lil 地址或控制线半字识别输入 h a s il 地址锁存使能、地址 对地址数据复用，区分 选通地址和数据 瑚 1 w il 读写选通读，写选择 h a s l 1 地址或控制线数据选通输入 h d s 1 蜀 i2 读选通和写选通或者数据选通输入 数据选通 h r d y o l 异步准备( r e a d y ) 信号 当前h p i 访问准备状态 h i n t oi 主机中断输入向主机发出的中断信号 主d m 6 4 2 通过l i p i d 、h p i c 、i - i p i a 来访问从d m 6 4 2 ，而h c n t l 1 0 】 正是决定了主d m 6 4 2 访问哪一个寄存器以及选择的工作方式，如表2 3 所示。 表2 3 寄存器访问控制表 h c n t l lh c n ，n d 功能描述 00 主机读或写h p i 控制( h p i c ) 寄存器 o j 主机读或写h p i 地址( h p i a ) 寄存器 l o 主机以自动增量模式读或写h h d ，然后h p i a 自动增加4 个字 节地址 1 l 主机以固定地址模式读或写h p i d ，h h a 不受影响 因此，h c n t l 1 o 】很显然要接在主d s p 的地址线上，又因为h h w i l 确定半 字顺序，因此必须接在最低位地址线e a 2 上。d m 6 4 2 的地址和数据不是复 用的，因而瓦西直接接高电平禁止既可。而h c n t l 1 o 】、h w w 、h h w i l 的采样时刻是在内部信号己百的下降沿，面；丽面丽由面豇、面诿泛和百西 确定，逻辑关系如图2 1 5 所示。 开0 毫t 霄罹 船 图2 1 5h s t r o b e 选通输入逻辑的等价电路图 因此把主d m “2 的甭范和面叵连接到从d m 6 4 2 的面丽和面冠即可， 而百西则用作选通信号，与主d s p 的面相连，把地址映射到对应得空间中， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并且把主d m 6 4 2 的c e 3 空间配置为异步1 6 位存储器模式。两块d s p 的连 接图如图2 1 6 和图2 1 7 所示。 图2 1 6 两片d m 6 4 2 通过h p i 互联方框图 生d 蚰4 2 ) , 又d i a g 4 2 褒 $ 一 咿mi t c l n t t i i ；q q _ 7 日 蕊e禳 日 一 目f 御 图2 1 7 主d m 6 4 2e m i f 到从d m 6 4 2h p i 互连方框图 该部分的实现是在f p g a 中实现的，这些信号设计时已经连入到f p g a 中，在f p g a 中实现是用原理图方式编程的，其程序框图如图2 1 8 所示。主 d m 6 4 2c e 3 空间对从d m 6 4 2h p i 的访问如表2 4 所示。 表2 4h p i 寄存器与地址空间的对应关系表 地址空间 功能描述 0 ) 出o o o 0 0 0 0 主机读或写h p i 控制( i i p i c ) 寄存器 o x b 0 0 0 0 0 0 4 主机读或写h p i 地址( h p i a ) 寄存器 0 x b 0 0 0 0 0 0 8 主机以自动增量模式读或写h p i d ，然后h p i a 自动增加4 个字节地址 o x b 0 0 0 0 0 0 c 主机以固定地址模式读或写h p i d ，h p i a 不受影响 2 3 1 2 软件配置 为了完成两片d m 6 4 2 的并行工作，还要对从d m 6 4 2 中的h p i 寄存器和 主d m 6 4 2 中的e m i t 进行配置，以确保数据的正确传送。从d m 6 4 2 的配置 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 主要包括以下几个方面： 配置h p i c 一 瑟广弋 一除唷赢唑”侣 q 鼠j f e 诣 _ 。卜i o 七占一一 口o 一月j - ，叫q r c 宰， q # 。书毒 l 亨仨蛩 图2 1 8f p g a 中实现的原理图 h p i c 的各位功能如图2 1 9 所示。 h l a i b , t - 0h r - 0h f m h r o h r ，w o i - i f f i h 剐w - 0h r n v - 0h p 4 w - 0 1 5f 4b 7 e 5 43 210 图2 1 9 h p i c 寄存器图 h p i c 的高1 6 位与低1 6 位的功能是相同的。两个半字中第一个传输的是低 1 6 位，因此h w o b 一定要设置为l 。本系统采用的方式是当从处理器数据( 大 块数据) 要传送时，从d m 6 4 2 向主d m 6 4 2 发出中断请求( a p 将h i n t 位置1 ) ， 然后由主d m 6 4 2 向相应位写入1 来清除中断，h r d y 位默认数据有效，即 置1 即可。d s p i n t 位是主d m 6 4 2 向从d m 6 4 2 发送中断时使用，因此在这 并无影响。初始化程序代码如下： ( i n t + ) h p i c = 0 x 0 0 0 9 0 0 0 9 ； 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发送中断的程序代码为： * ( i n t * ) ( 0 x 0 18 8 0 0 0 0 ) = 0 x 0 0 0 d 0 0 0 d ； 产h i n t 位置1 + 配置肿i a 当数据准备好时，将要传送数据的起始地址写入既可。程序代码如下； + ( i n t * ) h p i a = 0 x s 0 0 a 2 9 0 c ； 严设置地址为0 x 8 0 0 a 2 9 0 c 主d m 6 4 2 的配置主要是以下几个方面： 配置e m 主要是配置e m i f 的c e 3 空间为异步1 6 位存储器方式，首先要将e m i f 全局控制寄存器( g l o b a lc o n t r o lr e g i s t e r 简称g b l c t l ) 配置好公共参数，比 如使能时钟等。然后要配置e m i fc e 3 空间控制寄存器( c e 3s p a c ec o n t r o l r e g i s t e r 简称c e c t l 3 ) ，c e c t l 3 各位域功能如图2 2 0 所示： 3 12 72 22 1i t 0 伸1 6 r , 肿- i t t lk y f l lt 1 1 1p w - 1 1k w - 1 1 1 1 51 3e704 321o r a 4 - o r n 1 11 1 1 1r 啪剐w - o t o 剐w 翱 v v - 1 1 图2 2 0c e c t l 3 各位域功能图 程序代码如下： + ( i m * ) e m i f a _ c e 3 = 0 x 8 1 f 5 0 b 1 0 ；严设置m t y p e 位为1 6 位宽异步接口 等 配置e d m a ( e n h a n c e dd i r e e tm e m o r ya c c e s s ) 在本系统中，主d m 6 4 2 为了高速的将数据从d m 6 4 2 中导入，同时不影 响d s p 的其它处理，