用硬件實(shí)現(xiàn)SoC系統(tǒng)中的多路事件捕捉器

，，，

(中國兵器工業(yè)第214研究所，蘇州 215163)

引 言

隨著大規(guī)模集成電路和SoC系統(tǒng)的發(fā)展，SoC系統(tǒng)內(nèi)部集成多個(gè)微處理器核，能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)計(jì)算量和快速準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)信息處理。而設(shè)計(jì)的事件捕捉器可用于記錄外部輸入高速信號發(fā)生的時(shí)間以及狀態(tài)信息，時(shí)間基準(zhǔn)可由通過內(nèi)部寄存器配置選擇SoC系統(tǒng)內(nèi)部的多路定時(shí)器的某一路定時(shí)器提供。設(shè)計(jì)的多路事件捕捉器可作為一個(gè)通用IP模塊集成在SoC系統(tǒng)中，借助于SoC系統(tǒng)內(nèi)部集成的定時(shí)器和微處理器核對中斷的處理功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)捕獲外部事件，可以通過進(jìn)一步計(jì)算實(shí)現(xiàn)對信號的測距、測頻等。多路事件捕捉器對輸入的事件信息信號進(jìn)行采樣，具有高實(shí)時(shí)性、高精度的特點(diǎn)。

1 多DSP核的SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)位管理電路為SoC片上系統(tǒng)提供復(fù)位結(jié)構(gòu)和層次、啟動(dòng)流程和復(fù)位結(jié)果的電路模塊，主要支持的復(fù)位類型有冷復(fù)位、暖復(fù)位、調(diào)試復(fù)位、軟件復(fù)位等。

設(shè)計(jì)的多核SoC系統(tǒng)(結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示)主要包括內(nèi)嵌的4個(gè)DSP微處理器核、AMBA總線和一些外設(shè)IP模塊等。外設(shè)IP模塊主要有時(shí)鐘管理、復(fù)位管理(RST)、8路事件捕捉器(CPI)、外設(shè)接口(MIF)、GPIO等。

圖1 多核SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2 多路事件捕捉器電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的多路事件捕捉器主要對外部輸入的8路高速輸入信號進(jìn)行捕捉，具有高實(shí)時(shí)性、高精度的特點(diǎn)。對每個(gè)外部輸入信號捕捉都通過內(nèi)部寄存器配置有三種捕捉方式可供選擇：上升沿捕捉、下降沿捕捉、雙沿捕捉。由于設(shè)計(jì)的多核SoC系統(tǒng)內(nèi)部每個(gè)處理器核內(nèi)部都有2個(gè)定時(shí)器工作，多路事件捕捉器通過配置可選擇捕捉計(jì)時(shí)的定時(shí)器基準(zhǔn)，時(shí)間信息基準(zhǔn)可從內(nèi)嵌的4個(gè)DSP核中的8路定時(shí)器中選擇，發(fā)生事件捕捉后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷信號。

2.1 事件捕捉器框圖

SoC中事件捕獲器的具體功能描述如下：事件捕獲器主要依賴DSP核中的定時(shí)器對輸入端口的相關(guān)事件進(jìn)行捕獲，并在事件發(fā)生時(shí)保存相關(guān)定時(shí)器的當(dāng)前值，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號。相關(guān)事件包括輸入端口的上升沿、下降沿、正負(fù)雙沿，事件發(fā)生之后的捕獲值包括4個(gè)DSP的Timer0或Timer1，通過4個(gè)DSP核的事件捕獲分配寄存器分別產(chǎn)生中斷送給對應(yīng)的DSP核。捕獲模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 8路事件捕捉器結(jié)構(gòu)圖

從結(jié)構(gòu)框圖中，可以看出多路事件捕捉器電路的輸入、輸出信號。具體的事件捕捉器信號如表1所列。除了控制事件捕捉器工作的時(shí)鐘、復(fù)位信號外，8路事件捕捉器外部輸入端有8路控制信號CPI0～CPI7，對應(yīng)8路事件輸入；而dsp1_t0～dsp4_t1作為8路事件捕捉器的計(jì)時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)，分別控制CPU的8個(gè)定時(shí)器；電路輸出端有8路對應(yīng)的捕獲中斷CPIINT0～CPIINT7。另外還有兩個(gè)32位寄存器CPISTA和CPITMR，CPISTA是事件捕獲狀態(tài)寄存器，指示8路捕獲中斷相對應(yīng)的狀態(tài)，CPITMR是事件捕獲器時(shí)間寄存器，用于保存捕獲有效沿時(shí)刻相應(yīng)定時(shí)器的值。

表1 捕獲模塊接口信號

當(dāng)外部有事件輸入時(shí)，立刻捕獲當(dāng)前的定時(shí)器值和捕捉事件沿信息狀態(tài)后，存儲(chǔ)在FIFO中，并產(chǎn)生中斷信號。對于同一路事件捕獲輸入，有效事件輸入間隔要求大于事件捕捉器內(nèi)部工作時(shí)鐘的8個(gè)時(shí)鐘周期，否則將只響應(yīng)第一次。另外，對同一個(gè)事件來說，事件捕獲器儲(chǔ)存的事件狀態(tài)寄存器與時(shí)間寄存器是相對應(yīng)的，事件捕獲器每一個(gè)狀態(tài)周期對事件采樣一次，要求引腳上事件的高電平和低電平持續(xù)時(shí)間各不小于一個(gè)狀態(tài)周期。

2.2 多路事件捕捉器內(nèi)部寄存器

多路事件捕捉器內(nèi)部主要包括CPISTA事件捕獲器狀態(tài)寄存器、CPICTL事件捕獲器全局控制寄存器、CPIxCTL事件0捕獲控制寄存器～事件7捕獲控制寄存器、 CPITMR事件時(shí)間寄存器、CPIFR即FIFO狀態(tài)寄存器等一些寄存器，通過配置這些寄存器可控制多路事件捕捉器。這些寄存器具體功能特性如表2～表4所列。

表2 CPISTA的功能表

表3 CPICTL的功能表

事件捕獲器事件x捕獲控制寄存器具體指CPI0CTL～CPI7CTL，由于8路捕獲控制寄存器結(jié)構(gòu)相同，唯一區(qū)別為對應(yīng)地捕獲外部不同8路事件信號。

CPITMR事件捕獲器事件時(shí)間寄存器用于保存捕獲有效沿時(shí)刻相應(yīng)定時(shí)器的值。

CPIFR事件捕獲器FIFO狀態(tài)寄存器、事件捕獲器內(nèi)部包含了兩個(gè)32×32的先進(jìn)先出隊(duì)列寄存器FIFO，用于存儲(chǔ)事件發(fā)生時(shí)的信息。其中一個(gè)FIFO用于存儲(chǔ)事件發(fā)生時(shí)的時(shí)間，另一個(gè)FIFO用于記錄事件狀態(tài)。因此事件捕獲器在不讀取信息的情況下最多可以記錄32個(gè)事件，若記滿FIFO，在讀取信息前，進(jìn)一步發(fā)生的事件不再記錄。通過FIFO的空滿標(biāo)志，可以證實(shí)FIFO中數(shù)據(jù)的有效性。FIFO空滿狀態(tài)寄存器屬性如表5所列。

表4 CPIxCTL的功能表

表5 FIFO空滿狀態(tài)寄存器

2.3 事件捕捉器內(nèi)部硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的多路事件捕捉器內(nèi)部主要包括事件檢測器、時(shí)間存儲(chǔ)及管理模塊、事件狀態(tài)FIFO模塊和事件時(shí)間FIFO模塊、中斷設(shè)置等。

2.3.1 事件檢測器模塊

事件檢測器每個(gè)狀態(tài)周期對外部狀態(tài)采樣，如發(fā)生變化，會(huì)檢測到外部事件。用戶可通過配置CPIxCTL事件捕獲器，選擇對事件的跳變可檢測：無捕獲功能、正跳沿捕獲、負(fù)跳沿捕獲、正和負(fù)跳沿都捕獲。產(chǎn)生觸發(fā)信號傳送給其他模塊，事件檢測器模塊如圖3所示。

圖3 事件檢測器模塊

2.3.2 時(shí)間存儲(chǔ)及管理模塊

事件檢測器檢測到事件發(fā)生時(shí)，根據(jù)CPIxSEL選擇捕獲的Timer，把相應(yīng)DSP的Timer0或Timer1存儲(chǔ)到相應(yīng)時(shí)間寄存器中，時(shí)間存儲(chǔ)及管理模塊如圖4所示。

圖4 時(shí)間存儲(chǔ)及管理模塊

2.3.3 事件狀態(tài)FIFO模塊和事件時(shí)間FIFO模塊

事件檢測器檢測到相應(yīng)的跳變沿后，把事件發(fā)生引起的中斷狀態(tài)及時(shí)間信息同時(shí)存入事件狀態(tài)FIFO隊(duì)列和事件時(shí)間FIFO隊(duì)列。如事件狀態(tài)寄存器和事件時(shí)間寄存器是空的，當(dāng)讀取寄存器信息時(shí)，F(xiàn)IFO隊(duì)列記載的信息被推入寄存器內(nèi)，并根據(jù)讀取操作，F(xiàn)IFO隊(duì)列記載信息一次前進(jìn)一步。

2.3.4 中斷設(shè)置

事件捕獲器輸出8個(gè)中斷信號，分別對應(yīng)8路事件輸入，8路中斷信號參與外設(shè)的中斷分配，和外設(shè)一起最終產(chǎn)生不同的中斷信號分別送入4個(gè)DSP核。DSP核在收到中斷信號之后，通過訪問相應(yīng)寄存器，獲知具體的中斷信息，來決定后續(xù)的操作。

3 仿真與測試

通過仿真激勵(lì)編寫跳變的輸入信號CPI0～CPI7在仿真圖中對應(yīng)為ipt0～ipt7，為事件0～事件7輸入，設(shè)置捕獲事件的捕捉模式和配置內(nèi)部相關(guān)的寄存器，使多路事件捕捉器工作。CPIINT0～CPIINT7對應(yīng)仿真圖中的evt_int0～evt_int7，為事件捕獲器事件0～事件7產(chǎn)生的中斷信號。圖5中事件0～事件7八路事件同時(shí)發(fā)生，讀取狀態(tài)寄存器對應(yīng)仿真圖中的evt_sr及時(shí)間寄存器對應(yīng)圖中evt_tr的值，以及中斷發(fā)生后處理中斷的情況。

圖5 8路事件捕捉器仿真圖

為了測試事件捕捉器電路功能特性，在CCS界面編寫DSP程序，配置2路CPI工作，并配置中斷服務(wù)程序，當(dāng)發(fā)生CPI中斷后，處理器核每次進(jìn)入中斷程序，在中斷服務(wù)程序中，配置GPIO引腳輸出發(fā)出翻轉(zhuǎn)的方波，并讀取CPI事件捕捉器的CPISTA事件捕獲器狀態(tài)寄存器和CPIMR事件捕獲器時(shí)間寄存器。測試CPI輸入信號，并與對應(yīng)處理器核響應(yīng)中斷后GPIO發(fā)出的波形。設(shè)置的主要程序如下：

#define REGex1 *((int *)(0x40006010))

//中斷狀態(tài)寄存器，低8位代表CPI0～CPI7的中斷狀態(tài)

#define REGex2 *((int *)(0x40005000))

//事件捕獲器狀態(tài)寄存器地址

#define REGex3 *((int *)(0x40005080))

//事件捕獲器時(shí)間寄存器地址

*(int *)0x40005004 = 0x00000001;

//CPICTL,Enable CPI

*(int *)0x40005010 = 0x00000011;

//捕獲DSP0的T0，捕獲正跳沿，使能打開

*(int *)0x40005014 = 0x00000031;

//捕獲DSP0的T0，捕獲正、負(fù)雙跳沿，使能打開

中斷服務(wù)程序如下：

c_int4(void){

IER&=～(1<<4);

reg_data1 = (REGex1 & 0x000000ff);

if(reg_data1 == 0x1){

reg_data2 = REGex2;

reg_data3 = REGex3;

GPVAL&=～(1<<11);

for(Tj=1;Tj<0x00000fff;Tj++);

GPVAL|=1<<11;}

if(reg_data1 == 0x4){

reg_data2 = REGex2;

reg_data3 = REGex3;

GPVAL&=～(1<<13);

for(Tj=1;Tj<0x00000fff;Tj++);

GPVAL|=1<<13;}

IER|=1<<4;

return;}

通過示波器進(jìn)行GPIO波和CPI的輸入端口的測試，測試結(jié)果如圖6所示。圖中1通道代表其中1路CPI波輸入，內(nèi)部配置捕捉事件的上升沿變化，4通道代表設(shè)置事件捕獲上升沿后發(fā)出中斷，并且DSP進(jìn)行響應(yīng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在DSP響應(yīng)中斷時(shí)使GPIO11引腳發(fā)出方波波形。圖中，3通道代表其中另一路CPI輸入波，2通道波形是代表設(shè)置事件捕獲在輸入的上升和下降沿雙沿時(shí)發(fā)出中斷，并使GPIO13引腳在DSP響應(yīng)中斷時(shí)發(fā)出方波波形，并且每次進(jìn)入中斷服務(wù)程序，DSP都能正確讀取事件捕捉器內(nèi)部的寄存器值，測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的事件捕捉器能夠正常捕捉和響應(yīng)外部輸入事件，并存儲(chǔ)事件發(fā)生時(shí)刻的時(shí)間和狀態(tài)信息，并發(fā)出中斷信號，在DSP處理器核響應(yīng)中斷信號后，進(jìn)入下一個(gè)事件中斷信息的處理。

圖6 CPI輸入和GPIO發(fā)出波形

結(jié) 語