嵌入式設備由于具有硬件可在線配置，實現靈活等特點，使得其應用越來越廣泛。尤其在基于FPGA的硬件系統中應用較多，目前在許多產品中實現了嵌入式網口、嵌入式PCI/PCI-E、嵌入式USB等各種模塊。但在DSP中實現嵌入式設備還比較少，一般DSP都直接集成這些設備模塊，用戶選擇不同型號的DSP芯片以滿足產品應用要求。但對于一些較為特殊的嵌入式設備，DSP也可以實現該功能。
TI公司的DSP芯片C6727B，由于其片內集成dMAX模塊，使得實現嵌入式FIFO成為可能。其實現嵌入式FIFO的本質就是將DSP的片內一段RAM空間設置成FIFO空間，FIFO和外部設備的數據交換由EMIF接口完成。該FIFO的數據讀寫不需要DSP的CPU參與，從而提高整個系統性能，實現數據交換和數據處理的同時進行。本文以dMAX和EMIF接口的數據傳輸為例，介紹嵌入式FIFO的設計、配置及其使用。
dMAX及其結構
dMAX（Dual Data Movement Accelerator，雙向數據傳輸加速器）是TI公司的DSP芯片C6727B特有的一種片內設備。應用dMAX和EMIF（External Memory Interface，外部存儲器接口）可以實現片內RAM、片內和片外設備以及兩個片外設備之間的數據傳輸。dMAX模塊的內部結構如圖1所示。
圖1 dMAX內部結構圖
從圖中可以看出，dMAX主要由事件和中斷處理模塊、事件編碼器、傳輸事件模塊等組成。事件模塊分成高優先級和低優先級兩個相互獨立的模塊，各自有獨立的事件入口和事件參數表，和CPU有獨立的接口。使得dMAX可以同時處理兩個不同的事件。當訪問CPU端口時，MAX0的優先級高，MAX1的優先級低。dMAX能夠通過執行先進的一維、二維與三維數據的存儲器傳輸工作，從而使DSP得以專注于信號處理任務，顯著提高系統性能。適合圖像的子幀提取或者語音信號的子信道提取。
DSP內部的數據交換中心在dMAX的控制下，可以實現片內RAM、EMIF以及HPI接口之間的數據交換。本文介紹在dMAX控制下，實現片內RAM和EMIF接口之間的數據交換。如果DSP采用普通的異步接口方式，數據傳輸需要建立、選通和保持3個階段，最少需要5個EMIF時鐘（建立和保持各1個時鐘，選通3個時鐘）。為了保證通信的可靠性，一般采用10個EMIF時鐘（建立3個時鐘，保持2個時鐘，選通5個時鐘）。而EMIF時鐘最快為133MHz；這樣，采用異步接口的通信速率一般為13.3M×32b/s（采用32位數據總線寬度）。此外，異步接口數據傳輸必須在CPU的參與下，使用指令實現數據搬移。將占用大量的CPU開銷，在很多高速的數據采集和處理中，將降低系統的整體性能。為此，采用dMAX實現嵌入式FIFO數據傳輸克服異步傳輸的缺點，其傳輸采用突發讀寫方式進行，可以連續突發讀寫8個數據，一共只需要20個時鐘，通信速率提高為53.2M×32b/s，提高4倍讀寫速率。還可以采用和DMA后臺運行，這樣將大大降低整個系統數據讀寫的開銷，從而可以實現更加復雜和可靠的算法處理。
嵌入式FIFO設計
嵌入式FIFO的設計主要就是控制FIFO的7個參數。這7個參數分別為基地址、空間大小、空標志、滿標志、錯誤標志、讀指針和寫指針。它們之間的關系如圖2所示。
圖2 FIFO結構示意圖
關鍵字：DSP-dMAX FIFO 數據傳輸
基地址和空間大小用于規劃出一段內存空間，該內存空間用于FIFO設備，并被FIFO設備保護起來，使得其他設備和程序不能訪問該空間。為了便于操作方便，空間大小一般為2的整數次冪，但不做要求。具體到C6727B型號的DSP，空間大小最大為1M個元素，元素大小可以是8位、16位或者32位數據，不能為其他類型的數據。基地址可以為內存空間的任何一個地址，同樣為了操作方便，一般為空間大小的邊界點。例如，8個元素的FIFO，其基地址一般為XXXXX000b，也就是地址的低3位為0，基地址就肯定為8的整數次。同樣，64個元素的FIFO，其低6位為0。基地址和空間大小的特殊要求避免訪問時的地址跨越多頁問題，可以提高FIFO的訪問速度。
空標志和滿標志用于表示FIFO的存儲狀態。讀指針和寫指針用于表示讀寫的當前地址。錯誤標志表示對FIFO的錯誤操作。當FIFO處于滿標志情況下仍然寫FIFO，或者FIFO處于空標志情況下仍然讀FIFO，FIFO都將終止當前操作，并將錯誤標志置位。
FIFO的寫操作只有一種工作方式，即每次寫一個新的數據，寫指針加1，直到寫滿。而FIFO讀操作有兩種工作方式，分別為標準操作和多階延遲（Multi-tap Delay Transfer）操作。標準操作和寫操作一樣。多階延遲操作一般用于濾波處理，當需要對輸入信號進行濾波處理時候，每次希望從FIFO讀取一段窗口的數據，進行濾波處理，數據窗口仍然只移動一個數據。在標準操作情況下，如果讀取一段窗口的數據，FIFO則將該段窗口的數據全部彈出。多階延遲操作則只彈出一個數據。該操作方法對語音或者AD采樣數據的平滑、FIR等濾波非常適用。需要注意的是，多階延遲操作的數據窗大小需要設置，如果FIFO存儲的數據個數小于數據窗，FIFO則終止當前操作，并給出錯誤標志。
系統硬件結構
C6727B和其他DSP有一個較大的區別，就是C6727B不再提供專門的外部中斷引腳，而是采用GPIO引腳和dMAX配合使用，通過寄存器的設置將GPIO引腳配置成外部中斷引腳。本文為了實現FIFO的實時操作，一旦外設向FIFO寫入數據，即發出中斷信號到DSP的CPU，通知CPU讀取數據。為此，需要使用1個外部中斷引腳，將C6727B的音頻串口的AXR[8]配置成通用的GPIO引腳，并在dMAX中設置成中斷引腳。此時需要將音頻串口的CONFIGMACSP0寄存器設置為0x0001，如圖3所示。此時音頻串口不能再作為普通的音頻口使用，而是配置成IO接口。
圖3 中斷功能設置框圖
從圖3中可以看出，配置好音頻串口后，一旦AXR[8]引腳有上升沿到，則McASP0激活dMAX的事件26，向CPU發送內部中斷13。McASP的與中斷相關的寄存器配置是實現以上方案的重點。使用PFUNC寄存器將其配置成通用IO引腳；PDIR寄存器控制IO引腳的方向；如果是輸出引腳則由POUT引腳輸出高低電平，如果是輸入引腳，則由PDIN寄存器讀出該引腳的狀態；此外，可以使用PDCLR和PSET寄存器清除或者設置輸出引腳的狀態。
關鍵字：DSP-dMAX FIFO 數據傳輸
系統軟件設計
系統軟件設計主要包括McASP的初始化、dMAX的初始化、FIFO的初始化、中斷使能等。系統主程序只需要等待中斷進行相應的處理，主要的數據傳輸工作都是dMAX按照軟件配置自動完成，不需要CPU參與。圖4是實現由外設寫FIFO，DSP讀取FIFO數據的流程。圖中虛線部分表示由dMAX獨立完成的工作，實線部分表示由CPU完成的工作。兩者之間通過內部中斷方式實現狀態的交流。
圖4 系統軟件流程
為了提高FIFO的讀寫速率，一般采用突發方式進行讀寫。突發方式的讀時序如圖5所示。寫時序和讀時序類似。突發方式一次最多只能讀寫8個數據，也可以一次突發讀寫4個或者2個數據。突發讀寫時數據的建立和保持時間最少可以設置成1個時鐘周期，如圖中所示。但為了通信可靠，一般采用2個時鐘周期。突發方式最大的節省時間是連續的其他數據將不再需要建立和保持周期，而是直接進行讀寫，一般只需要兩個時鐘周期就可以完成一個數據的讀寫。最快情況下，突發讀寫8個數據只需要20個時鐘周期，讀寫速率達到53.2M×32b/s，滿足大部分設備的要求。
圖5 突發讀時序圖
總結
dMAX的特有結構使得其可以實現嵌入式FIFO。本文介紹了基于C6727B的dMAX的基本結構以及基于dMAX的嵌入式FIFO軟硬件設計，設置通用GPIO引腳作為中斷，為了加快FIFO的傳輸速率，使用突發讀寫方式進行數據傳輸。嵌入式FIFO的實現，使得DSP和外部設備的通信更加方便和快捷，而且不需要CPU的參與，減輕了CPU的負擔，CPU可以專注于復雜的算法處理。