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CPLD与TMS320VC55x的McBSP接口设计

作者：欧建平,任建文,楼生强来源：本站原创点击数：269 更新时间：2008-3-3

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摘　要　根据McBSP和CPLD的时序分析，采用VHDL语言设计了CPLD模拟McBSP并与之进行全双工通信，给出了实际的接口时序结果。
关键词：McBSP，CPLD，VHDL，DSP

　　在许多数字信号处理应用系统中，DSP担任的工作是快速而复杂的核心运算，但是，在运算的同时DSP对数据输入输出的控制是有限的，DSP与CPLD（复杂可编程逻辑器件）或FPGA（现场可编程阵列）相结合的设计则可以有效地弥补这种不足。笔者设计的基于DSP实时视频编解码系统，采用TI（德州仪器）公司的最新高性能低功耗TMS320VC55x系列DSP芯片TMS320VC5509做视频双向编解码运算，但如果DSP还承担视频输入输出的工作，那么视频编解码运算的实时性将得不到保证，因此，这里采用Altera公司的CPLD芯片EP1K50作为视频输入输出的缓冲和控制，DSP与CPLD之间的通信采用McBSP串口（多通道缓冲串口）DMA方式。

1　McBSP的硬件接口及时序分析
    TMS320VC5509是TI公司生产的第三代高性能低功耗DSP芯片，有三个McBSP串口，McBSP串口是在标准同步串口基础上的功能扩展，提供了强大的同步串口通信机制，速度可达100Mbit／s，具有以下特征：
    ·全双工通信；
　　·双缓存的发送寄存器和三缓存的接收寄存器，允许连续的数据流传输；
　　·为数据发送和接收提供独立的帧同步脉冲和时钟信号；
　　·能够发送中断给CPU，发送事件信号给DMA控制器；
　　·发送和接收各有128个通道，可以允许或阻断某个通道的传输；
    ·数据长度可以为8、12、16、20、24、32；
    ·提供了A－律和μ－律压缩扩展；
　　·内部时钟和帧同步信号的可编程性；
    ·与T1／E1、SPI、AC97、I₂S等直接接口。

　　McBSP串口一般通过六只引脚使得数据通路和控制通路与外部设备相连。数据经McBSP串口与外设的通信通过DR和DX引脚传输，控制同步信号则由CLKX、CLKR、FSX、FSR等四只引脚来实现。其基　　本的发送和接收时序如图1所示。　　由于McBSP串口的数据线DR和DX有缓存寄存器，帧同步信号FSX、FSR，以及时钟信号CLKX、CLKR具有可编程性，使得其与CPLD之间的接口设计非常灵活，设计的步骤可以是：先对CPLD进行编程，然后根据所产生的数据发送和接收的波形特点，对McBSP串口编程，与CPLD的波形相匹配。
2　CPLD的内部结构设计
　　数据输入通道是由视频采样芯片SAA7114H、CPLD和C5509的McBSP串口组成，视频采样数据从SAA7114H出来之后，在CPLD的内部输入FIFO（先入先出队列）中缓冲一下，由于McBSP是串行的，所以在CPLD内部要进行并串转换，串行输出，同时还要产生同步时钟给McBSP串口。
　　数据输出通道是由McBSP串口、CPLD和LCD（液晶）控制器组成，解码后的视频数据经过McBSP串行进入CPLD，在其内部串并转换之后，送入内部的输出FIFO暂时缓存一下，然后进入外部的LCD控制器，具体流程见图2。

　　CPLD内部不仅有逻辑控制，而且还有存储器（FIFO），故采用Altera公司的具有存储阵列ACEX系列的EP1K50芯片。EP1K50是Altera公司新近推出的性价比高的系统可编程芯片（SOPC），内部有50K个典型门，40kbit存储单元，双向输入输出建立时间可达250MHz，2．5V的内核供电，3．3V的
输入输出电平与McBSP串口一致，可见，EP1K50非常适合做此接口。这里，McBSP串口的接收帧同步（FSR）和时钟信号（CLKR）由CPLD提供，而发送帧同步（FSX）和时钟信号（CLKX）由McBSP串口自己提供。
3　CPLD数据流以及同步控制的VHDL描述
　　CPLD的仿真编程工具采用MaxplusII软件，用VHDL（高速硬件描述语言）设计。内部的FIFO、移位寄存器和计数器分别采用MaxplusII的宏库lpm_—fifo_—dc、lpm_—shiftreg和lpm_—counter，它们的参数都是可预先设定的。
　　lpm　fifo　dc是双口FIFO宏库，字长为16位，输入和输出深度均为64字，输入FIFO的写时钟由SAA7114H产生，读时钟是移位寄存器为空时的脉冲，同时还有空和满信号使能读写时钟。同样，输出FIFO的写时钟由移位寄存器产生，读时钟由LCD控制器送入。lpm_— shiftreg为移位寄存器，它受Ipm_—fifo_—dc和Ipm-cornter的状态控制，当FIFO可以读写时，移位寄存器就输入和输出16位并行数据，并且开始移位，计数器满时要停止移位。lpm_—counter为4位计数器，当计数器溢满（为16）时，在开始移位时对全局脉冲计数，产生进位信号来停止移位寄存器的移位操作。限于篇幅，下面只给出视频数据输入通道同步与控制的部分VHDL语言。

　　END IF；
END IF；
END PROCESS；
　　由上述的组合逻辑与时序逻辑结合VHDL语言描述，可以看出，在移位寄存器并行装入数据后，由类似触发器逻辑停止并行装入，并且开始串行移出和计数。当计数器满时停止移位，置移位寄存器为空的状态，停止移位，如果FIFO为空，则移位寄存器和计数器都处于等待状态，如果FIFO不为空，就并行装入移位寄存器，MaxplusII仿真结果如图3所示。

图3所示的输入信号IFIFO　empty、GCLK、VIDEO　data分别为输入FIFO的空标志、全局时钟、视频数据，输出信号FSX、DX、CLKX为直接与McBSP串口连接的发送帧同步线、数据线、时钟线，内部信号COUNT　en为计数器使能信号，ICLK为数据输入时钟。由图3可看出，CPLD视频数据以16位5555固定数据输入，在全局时钟的上升沿输出串行移位，这样，在McBSP串口端就可以在CLKX的下降沿采样数据，并且根据图示，视频数据相对于帧同步信号有一个时钟周期的延迟，故在McBSP编程时设置串口时钟延迟为1即可。
4　结束语
　　由于CPLD和TMS320VC5509的McBSP串口都具有灵活的可编程性，可以在CPLD端完全地模拟McBSP串口与之通信，经实践检验，这种方式确实可行。这样，TMS320VC5509就以串口的DMA方式与CPLD交换数据，而不会因为与外设直接交换数据而中断CPU的快速视频编解码运算，从而达到视频流的实时性。