車載高速數(shù)字信號運算板卡的制作方法
【專利摘要】車載高速數(shù)字信號運算板卡，包括總控芯片和兩片多核DSP處理器，兩片多核DSP處理器分別為DSPI和DSPII；DSPI和DSPII均支持公共總線讀寫機制；每片多核DSP處理器均包括2對全雙工Linkport接口，DSPI和DSPII之間通過Linkport總線互連通信；外部數(shù)據(jù)經(jīng)Linkport總線分別傳遞到DSPI和DSPII；總控芯片包括共享內(nèi)存，DSPI和DSPII之間以及DSPI、DSPII與總控芯片之間通過公共并行總線通信，可對共享內(nèi)存進(jìn)行高速流水線讀寫。DSP多核處理器支持公共總線的讀寫機制，兩片多核DSP芯片通過高速并行總線與總控芯片通信，且兩片DSP之間通過高速Linkport總線互聯(lián)，實現(xiàn)兩片DSP之間數(shù)據(jù)的高速、相互讀取，可極大提高數(shù)字信號處理的速度。
【專利說明】
車載高速數(shù)字信號運算板卡
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于數(shù)字信號處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高速數(shù)字信號運算板卡。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的趨勢是如何實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定處理。
[0003]以鐵路電氣控制系統(tǒng)為例，特別是在牽引變流控制系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)集成度高，往往需要大量的復(fù)雜數(shù)據(jù)運算處理。在很多實時控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理的速度在很大程度上會影響控制器的輸出延時，進(jìn)而影響到控制器的性能指標(biāo)。對實時性要求越高的控制系統(tǒng)，對運算板卡運算效率的要求也就越高。
[0004]在數(shù)字信號運算板卡處理器的選擇方面，應(yīng)用較多的是DSP處理器。以鐵路電氣控制系統(tǒng)為例，其中西門子公司采用了 DSP56002，主頻100MHz;龐巴迪公司采用了 DSP56302，主頻100MHz;阿爾斯通公司采用了ADI 21062，主頻160MHz。
[0005]申請?zhí)枮?01410007494.6的發(fā)明專利公開了一種基于多核DSP的通用數(shù)字信號處理板卡，板卡包括兩片多核DSP芯片，一片F(xiàn)PGA主控核心，兩片多核DSP通過高速串行總線連接到兩片多核DSP芯片，兩片DSP芯片之間通過高速串行總線通信，每片DSP連接可擴展的外部存儲器。這種結(jié)構(gòu)雖然實現(xiàn)了多DSP芯片的協(xié)同工作，可以一定程度上提高數(shù)字信號的處理速度，但由于DSP與主控核心之間、兩片DSP之間均通過串行總線通信，且DSP需接外部存儲器，這種結(jié)構(gòu)限制了數(shù)據(jù)的傳輸速度，也限制了 DSP之間數(shù)據(jù)互訪的速度，一定程度上限制了數(shù)字信號的處理速度。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型的目的在于提供一種數(shù)字信號運算板卡，實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的快速、高效的運算處理:滿足復(fù)雜控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)高速運算處理的要求。
[0007]本實用新型的技術(shù)方案為:高速數(shù)字信號運算板卡，包括供電電路、總控芯片和兩片多核DSP處理器，總控芯片通過高速CPCI總線與上位機通信，總控芯片通過低速I2C總線與外部低速設(shè)備通信;供電電路為運算板卡供電，兩片多核DSP處理器分別為DSPI和DSPII;二者均支持公共總線讀寫機制。兩片多核DSP和總控芯片三者之間通過本地高速并行公共總線互聯(lián)，其中一片DSP可以通過公共總線實時訪問另一片DSP的片上內(nèi)存，且可通過公共總線實時訪問總控芯片的片上內(nèi)存。
[0008]每片多核DSP處理器均包括2對全雙工Linkport高速接口，DSPI和DSPII之間通過Linkport總線互連通信，完成DSPI和DSPII間的高速數(shù)據(jù)傳輸和片內(nèi)存儲區(qū)的互訪問；外部數(shù)據(jù)經(jīng)Linkport總線分別傳遞到DSPI和DSPII;
[0009]總控芯片包括共享內(nèi)存，DSPI和DSPII通過公共并行總線與總控芯片通信，可對共享內(nèi)存進(jìn)行高速流水線讀寫；還包括監(jiān)控電路和時鐘管理電路，監(jiān)控電路分別與DSP1、DSPI1、總控芯片相連，監(jiān)控電路包括看門狗監(jiān)控電路;時鐘管理電路分別為總控芯片、DSPI和DSPII提供時鐘配置信號。
[0010]優(yōu)選的是:還包括電子標(biāo)簽，記錄高速數(shù)字信號運算板卡的硬件配置信息及軟件配置信息。
[0011]優(yōu)選的是:還包括鋁制散熱板，散熱板一側(cè)為鋁制散熱片，另一側(cè)與車載高速數(shù)字信號運算板卡相接，車載高速數(shù)字信號處理板卡的安裝側(cè)設(shè)置有兩個導(dǎo)熱硅墊；導(dǎo)熱硅墊的位置與兩片多核DSP處理器的位置相對應(yīng)。
[0012]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0013]采用雙處理器架構(gòu)，雙處理器可協(xié)同運算，運算執(zhí)行效率高，運算延時小。本實用新型所采用的DSP多核處理器支持公共總線的讀寫機制，兩片多核DSP芯片通過高速并行總線與總控芯片通信，每片DSP可通過公共總線實時訪問對方的片內(nèi)存儲區(qū)，可實現(xiàn)DSP中間變量的相互訪問，且兩片DSP之間通過高速Linkport總線互聯(lián)，實現(xiàn)兩片DSP之間數(shù)據(jù)的高速、相互讀取，數(shù)據(jù)共享，極大的提高數(shù)字信號處理的速度。
[0014]總控芯片設(shè)有高速CPCI接口和低速12C接口，通過高速CPCI接口連接至上位機，上位機可通過高速CPCI總線與雙DSP之間進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且可通過高速總線對兩片DSP啟動程序進(jìn)行更新。DSP在正常啟動的情況下，才能操作對高速總線的讀取，避免在DSP錯誤配置的情況下對CPCI總線的誤操作。
[0015]數(shù)字信號運算板卡對外采用高速Linkport總線，外部板卡可通過Linkport總線和每片DSP之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率最高可達(dá)2Gbits每秒，可極大的縮短系統(tǒng)的傳輸延時，提高控制系統(tǒng)的可控性。
[0016]可通過時鐘管理電路配置板卡的時鐘信息，實現(xiàn)板卡工作頻率的靈活配置。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)不意圖。
[0018]圖2為數(shù)字信號運算板卡啟動流程圖。
[0019]圖3為散熱板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4為助拔器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ]其中，1-散熱片，2-散熱板，3-螺栓孔，4-凸臺，5-基板，6_插針，7_扳動板
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進(jìn)行進(jìn)一步的描述。
[0023]實施例1
[0024]如圖1所示，車載高速數(shù)字信號運算板卡，用于列車控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)處理。包括供電電路、總控芯片和兩片多核DSP處理器，總控芯片通過高速CPCI總線與上位機通信，通過I2C接口與外部低速設(shè)備通信。供電電路為運算板卡的各個部分供電，兩片多核DSP處理器分別為DSPI和DSPII，二者均支持公共總線讀寫機制，例如，支持公共總線讀寫機制的DSP包括TigerSharc系列DSP，Share系列的部分DSP，本實施例以TigerSharc系列的TS203S為例，來描述高速數(shù)字信號運算板卡的結(jié)構(gòu)組成及數(shù)字信號處理方法。
[0025]每片TS203SDSP處理器均具有兩個獨立的運算核心，處理器外圍設(shè)置有2個獨立的全雙工Linkport接口、內(nèi)部設(shè)置有4Mbits的雙口RAM，芯片內(nèi)部含有128bits寬度的高速總線。DSPI和DSPII之間通過Linkport總線互連通信，完成DSPI和DSPII間的高速數(shù)據(jù)傳輸，單通道單方向的傳輸速度可以達(dá)到2Gbits每秒;兩片DSP之間支持內(nèi)存互訪。DSPI的內(nèi)核可以讀取DSPII的片內(nèi)雙口 RAM，另外的一個DSPII可以讀取DSPI的片內(nèi)雙口 RAM。兩片DSP對外使用高速全雙工差分Linkpor接口，外部數(shù)據(jù)經(jīng)獨立的Linkport總線分別傳遞到DSPI和DSPII;這樣可以極大的縮小對外數(shù)據(jù)的傳輸延時，進(jìn)而降低整個信號處理板的控制延時。
[0026]總控芯片部分電路包括FPGA總控芯片、存儲器及外圍電路。總控芯片管理兩片DSP的啟動，實時監(jiān)控兩片DSP的工作狀態(tài)，同時總控芯片還為兩片DSP芯片提供共享內(nèi)存，支持共享內(nèi)存的高速流水線讀寫。總控芯片、DSPI和DSPII三者之間通過公共并行總線與總控芯片通信，可對共享內(nèi)存進(jìn)行高速流水讀寫；即DSPI和DSPII可通過高速并行總線讀取各自的片內(nèi)存儲器;DSPI和DSPII可分別通過高速并行總線訪問總控芯片的共享內(nèi)存?？偪匦酒O(shè)置有CPCI總線接口和I2C總線接口，上位機可通過CPCI總線監(jiān)控高速數(shù)字信號運算板卡的各種工作狀態(tài);通過低速串行I2C總線，與外部低速設(shè)備通信。根據(jù)需要，還可以為總控芯片設(shè)計其他類型的通信接口。
[0027]還包括監(jiān)控電路和時鐘管理電路，監(jiān)控電路分別與DSP1、DSPI1、總控芯片相連，監(jiān)控電路包括看門狗監(jiān)控電路、電壓監(jiān)控電路和溫度監(jiān)控電路，看門狗監(jiān)控電路監(jiān)控兩片DSP和總控芯片的工作狀態(tài)，保證數(shù)字信號處理板的可靠運行；電壓監(jiān)控電路對數(shù)字信號處理板內(nèi)部各種供電電壓進(jìn)行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)異常，立即提供硬件復(fù)位;溫度監(jiān)控電路實時監(jiān)控數(shù)字信號運算板卡的運行溫度，并將溫度信息傳輸給總控芯片。時鐘管理電路包括時鐘產(chǎn)生電路、時鐘管理芯片及外圍電路，分別為總控芯片、DSPI和DSPII提供高質(zhì)量的同步時鐘驅(qū)動和時鐘配置信號。
[0028]由于車載高速數(shù)字信號運算板卡的運算速度快，較常規(guī)的運算板卡而言發(fā)熱量大。為了解決運算板卡散熱的問題，設(shè)計了專門的散熱板2。散熱板2—側(cè)為鋁制散熱片1，另一側(cè)與車載高速數(shù)字信號運算板卡相接，其與運算板卡相接的一側(cè)設(shè)置有多個螺栓孔3，運算板卡通過螺栓安裝在散熱板2上。由于執(zhí)行運算工作的主要為兩片多核DSP處理器，車載高速數(shù)字信號處理板卡的安裝側(cè)設(shè)置有兩個凸臺4，凸臺4上安裝有導(dǎo)熱硅墊；導(dǎo)熱硅墊的位置與運算板卡上兩片多核DSP處理器的位置相對應(yīng)，安裝后，兩片導(dǎo)熱硅墊分別與兩片多核DSP接觸，保證兩片多核DSP及時散熱，正常工作。
[0029]運算板卡通與機箱的連接處設(shè)置與助拔器。助拔器主要由基板5、插針6和扳動板7組成，基板5上部連接扳動板7，扳動板7為L型板，L型板的左下部與基板5在鉸接部鉸接，并可沿鉸接部呈一定角度旋轉(zhuǎn)，基板5上設(shè)有扳動板7定位卡槽，定位卡槽與L型板的下部相匹配，基板下部固定雙排插針，插針用于與運算板卡卡槽相連接，基板5—側(cè)還設(shè)有與板卡固定的螺栓孔。當(dāng)扳動板7沿鉸接部旋轉(zhuǎn)至與定位卡槽相吻合時，扳動板7底部與板卡卡槽上部相抵，板卡被拔出。
[0030]還包括電子標(biāo)簽，記錄高速數(shù)字信號運算板卡的硬件配置信息及軟件配置信息。
[0031]高速數(shù)字信號板卡工作包括以下步驟:
[0032]兩片多核DSP啟動前，總控芯片讀取電子標(biāo)簽中的硬件配置信息及軟件配置信息，如果電子標(biāo)簽中的硬件版本號、軟件版本號和配置文件中的配置相同，則根據(jù)配置信息配置時鐘。
[0033]總控芯片向DSPI和DSPII下載啟動程序，依次啟動兩片多核DSP處理器;總控芯片管理兩片DSP的啟動，同時還提供DSP啟動程序的更新機制，啟動程序可通過CPCI總線進(jìn)行更新。DSP芯片啟動時，時鐘配置結(jié)束后，關(guān)閉開門狗監(jiān)控電路，總控芯片向DSPI下載啟動程序;DSPI啟動成功后，向總控芯片返回啟動狀態(tài)信號，否則，總控芯片會復(fù)位DSPl，并重新向DSPl下載啟動程序；總控芯片收到DSPI反饋的啟動狀態(tài)信號后，向DSPII下載啟動程序，DSPII啟動成功后，向總控芯片返回啟動狀態(tài)信號；當(dāng)兩個DSP芯片均啟動成功后，總控芯片使能看門狗監(jiān)控電路，并開放總控芯片中的共享內(nèi)存。這種啟動方法的優(yōu)點是可以避免DSP啟動異常情況下，對共用高速并行總線的訪問錯誤。
[0034]車載快速運算板卡處理的為列車牽引變流控制系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。待處理數(shù)據(jù)拆分成兩部分分別傳遞到DSPI和DSPII，由DSPI和DSPII根據(jù)總控芯片的指令對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理；
[0035]設(shè)定DSPI執(zhí)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)整合處理指令，DSPII處理好的數(shù)據(jù)存儲在DSPII的雙口RAM中，DSPI訪問DSPII的雙口RAM，調(diào)用DSPII處理后的數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)整合指令。當(dāng)然，根據(jù)設(shè)置需要也可以設(shè)定DSPII執(zhí)行數(shù)據(jù)整合指令，其調(diào)用DSPI雙口 RAM中處理好的數(shù)據(jù)。
[0036]實施例2
[0037]與實施例1不同的是，數(shù)據(jù)整合處理時，設(shè)定DSPI或DSPII執(zhí)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)整合處理指令，DSPI和DSPII處理后的數(shù)據(jù)均傳遞到總控芯片的共享內(nèi)存，執(zhí)行數(shù)據(jù)整合處理指令的多核DSP處理器調(diào)用總控芯片共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理。
[0038]由于DSPI和DSPII是采用公共的高速并行總線與總控芯片進(jìn)行通信的，為了防止DSPI和DSPII同時訪問總控芯片的共享內(nèi)存時發(fā)生沖突，公共總線有總線仲裁機制。為兩個DSP芯片設(shè)置不同的優(yōu)先級，2個DSP同時要使用公共并行總線實現(xiàn)對總控芯片的讀寫，那么2個DSP的總線仲裁機制會自動判斷哪個DSP芯片在本次讀寫操作的優(yōu)先級高。高優(yōu)先級的DSP繼續(xù)讀寫;低優(yōu)先級的DSP等待高優(yōu)先級DSP完成讀寫動作后，再進(jìn)行讀寫。
【主權(quán)項】
1.車載高速數(shù)字信號運算板卡，包括供電電路、總控芯片和兩片多核DSP處理器，總控芯片與上位機通信及外部低速設(shè)備通信，供電電路為運算板卡供電，兩片多核DSP處理器分別為DSPI和DSPII;其特征在于:DSPI和DSPII均支持公共總線讀寫機制；每片多核DSP處理器均包括2對全雙工Linkport接口，DSPI和DSPII之間通過Linkport總線互連通信，完成DSPI和DSPII間的數(shù)據(jù)傳輸和片內(nèi)存儲區(qū)的互訪問；外部數(shù)據(jù)經(jīng)Linkport總線分別傳遞到DSPI和DSPII;所述總控芯片包括共享內(nèi)存，DSPI和DSPII之間以及DSP1、DSPII與總控芯片之間通過公共并行總線通信，可對共享內(nèi)存進(jìn)行高速流水線讀寫;還包括監(jiān)控電路和時鐘管理電路，所述監(jiān)控電路分別與DSPI ,DSPI1、總控芯片相連，所述監(jiān)控電路包括看門狗監(jiān)控電路;所述時鐘管理電路分別為總控芯片、DSPI和DSPII提供時鐘配置信號。2.如權(quán)利要求1所述的車載高速數(shù)字信號運算板卡，其特征在于:還包括電子標(biāo)簽，記錄所述高速數(shù)字信號運算板卡的硬件配置信息及軟件配置信息。3.如權(quán)利要求1所述的車載高速數(shù)字信號運算板卡，其特征在于:還包括鋁制散熱板，所述散熱板一側(cè)為鋁制散熱片，另一側(cè)與車載高速數(shù)字信號運算板卡相接，車載高速數(shù)字信號處理板卡的安裝側(cè)設(shè)置有兩個導(dǎo)熱硅墊;所述導(dǎo)熱硅墊的位置與兩片多核DSP處理器的位置相對應(yīng)。
【文檔編號】G06F13/38GK205563545SQ201620291798
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】李震, 蓋猛, 潘德敏
【申請人】中車青島四方車輛研究所有限公司