SHARC阵列板的VMEBus通信分析与应用

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摘要：分析在Apex软件环境下，SHARC处理器阵列板与MVME2700单板机基于VME总线的交互通信机制；利用该机制在VxWorks操作系统下，实现MVME2700单板机对DSP阵列板的被动触式工作时序控制。

    关键词：嵌入式系统 SHARC 实时性 VxWorks

目前，许多信号处理系统DSP都采用Analog Device公司的SHARC系列产品。随着DSP计算能力与应用范围的不断增强和扩大，越来越要求DSP具有实时控制能力以及具备多种通信接口。特别随着网络技术的不断发展，基于网络控制的DSP应用已成为主流；而嵌入式单板机（Signal Board Computer）显然在实时控制与多通信接口及网络应用方面具有及大的优势。因此，通常在DSP处理机前端利用单板机设置通信控制器，加强对DSP系统的实时控制与外围通信接口扩展。DSP系统与其前端通信控制器之间是否具有良好的实时通信，决定了其整体性能的优良程度。本文利用Motorola公司的MVME2700单板机作为DSP信号处理机的前端通信控制器，实现了对DSP系统的实时通信控制。

1 DSP及其前端控制

在需要高强度信号处理能力的领域，一般可采用多块具有拓扑结构的SHARC处理器VMEBus阵列板作为信号处理机。各阵列板通过连接线连接，具有很强的信号处理 能力。SHARC阵列板虽具有强大的计算功能，但是却不适合加载实时操作系统，因此其自身管理功能并不强大，并且通信接口扩展性较差，不利于功能扩展和网络控制。为了对其实施合理的工作时序控制并增强外围通信功能，在其前端配置一块单板机，利用VxWorks作为操作系统，并安装控制程序对SHARC阵列板实施控制。由于单板机具有良好的通信接口扩展性，该单板机作为信号处理系统的前端机可以外接网络接口、视频接口、I/O接口等等，使得信号处理机可作为一个完整的分系统接入控制网络；利用单板机的强大的实时控制功能和网络功能，使信号处理机发挥最大功效。下面给出SHARC阵列板与其前端的单板机组成的通信处理系统，如图1所示。
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    该嵌入式系统基于标准的VME总线结构，SHARC处理器为ADSP21060，其时钟频率为40MHz，晶体振荡器的频率为25.6MHz。每一个SHARC处理器都支持高达240MB/s的高速通信。对SHARC的软件开发采用Apex(Advanced parallel excutive)，即高级并行执行指令，由Signal Spectrum公司开发的SHARC指令高级开发语言。

Apex提供了性能优良的、灵活的并行处理器指令集，以及对DSP硬件的便捷访问功能。同时，Apex还提供了基于VME总线的通信机制，允许从主机下装SHARC代码到客户机，并且具备在主机和客户机之间进行数据传输的功能。本文采用美国Motorola公司生产的单板机MVME2700，中央处理器PowerPC MPC750作为Melbourne的前端通信控制器。MVME2700是一个高度集成计算机系统，适用于要求高度实时控制管理的系统环境。它所使用的操作系统就是嵌入式的实时操作系统中的佼佼者VxWorks。VxWorks是具有高性能的实时操作系统内核。该内核使用中断驱动、抢占优先级的任务调配机制，这种机制使得VxWorks具有高性能的实时特性。MVME2700的通信控制程序通过Tornado软件在Windows环境下进行程序开发。

2 SHARC的VME总线通信机制分析

如果要实现MVME2700对SHARC的实时控制，则必须了解SHARC是如何基于VME总线对外访问的。由于MVME2700对SHARC阵列板起着程序下载、引导和控制作用，在Apex开发环境下视其为主机，而SHARC阵列板则称为目标机。对于SHARC阵列板而言，一般只有根部SAHRC处理器参与VME总线通信。Apex支持两类主机与SHARC系统进行VME通信的方式：一类方式是在主机应用程序和SHARC阵列板根部处理之间进行的较低层的数据块拷贝，类似于简单的本地数据拷贝标准C程序当中的memcpy；另一类则以客户端/服务端交互的形式在主机与SHARC之间建立通信，利用中断实现同步，并且可以多路传输。下面对这两种方式加以分析。

2.1 同存块拷贝方式

Apex提供主机与SHARC目标机的任何内存地址拷贝数据的函数：cpy_to_SHARC()和cpy_from_SHARC()。给出SHARC阵列板上SHARC-0（根部处理器）的本地地址和主机上的本地址，即可进行内存块拷贝。本质上，这是一种基于VME总线的共享内存DMA方式，函数cpy_to_SHARC()和cpy_from_SHARC()自动将主机与目标机的本地址释放成VME总线地址，通过共享内存进行数据传输，因此可以不必关心低层具体的VME总线映射关系，而将重点在上层数据传输。不过，某些情况下需要获得VME映射关系的时候，例如主机需要通过VME总线对SHARC的控制寄存器进行操作，此时应当利用VxWorks的函数sysLocaltoBusAddr()来主动获得该寄存器的VME地址映射，对该VME地址进行位操作。要做到这一点，在NT操作系统下则显得要麻烦得多。由于SHARC与MVME2700的数据拷贝通过VME总线传输，其数据传输速率是非常高的；同时，由于采取了DMA方式，几乎不需要CPU介入，从而可提高程序执行效率。

2.2 客户/服务的阻塞交互方式

该方式要求每次客户端申请获得服务的时候，向系统提供一个服务请求。该请求包括标签和一同发送的数据包，其结构体数据格式如下：

typedef struct{

INT32 tag; /*服务标签*/

INT32 param; /*客户服务程序参数*/

INT32 data; /*数据包指针*/

INT16 length; /*数据包长度*/

INT16 max_len; /*返回包的最大长度*/

} Server_packet

客户端提完申请之后就会进入阻塞状态等待服务端的回答。服务端截获该申请之后，根据服务标签启动相应的服务模块，完成相应的服务之后向客户端发送回复，此时客户端才能停止阻塞恢复运行，如图2所示。申请和回复这两种数据包具有同样的结构，每次最大数据传输量不能超过4KB。客户端与服务端之间的实时响应由系统发送中断自动完成，不需要人为干预，具有较高的实时性和安全性。

该方式实质是构架于VME总线中断之上的。在客户端发送申请包的时候包含了一个VME总线中断，由该中断驱动服务端的服务循环模块，然后服务循环模块再调用相应的客户服务程序，从而实现两路通信握手。该方式将底层的VME总线中断驱动机制封装起来，在上层建立了规范的服务循环模块并且允许添加个人服务程序，对于软件的规范与维护有利。当然，如果需要更高的实时性，可以不采用该方式，而是由客户端直接发送VME总线中断来实现握手，但必须对于底层的中断寄存器直接操作，不易维护。需要指出的是，对于具有拓扑结构的SHARC芯片组而言，只能由根端SHARC处理器作为客户端，内存拷贝也只能在根部SHARC处理器与服务端处理机之间进行。
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