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基于DSP和FPGA的并行处理系统硬件设计

作　者: 张明志
导　师: 曹小秋；吴强
学　校: 北京工业大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: TMS320C6678 XC5VLX110T HyperLink 信号完整性 眼图
分类号: TP368.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 643次
引　用: 2次
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内容摘要


随着数字信号处理技术的不断发展,大多数领域对嵌入式系统进行信息处理要求的日益提高,新的功能强劲的高性能数字信号处理器相继推出。单核处理器内核频率可达到1.25GHz,并且具有丰富的高速内存、外设接口,但随着通信和图像处理等算法复杂度的增加,以及对信号处理质量和实时性要求的日渐精密和严格,单个处理器核已经不能很好地满足处理要求,所以设计实现基于多核DSP(Digital Signal Processor)的处理系统或多DSP高速并行处理系统成为必要。嵌入式系统硬件平台性能主要取决于核心处理模块处理性能、互连接口带宽以及互连拓扑结构。本设计是基于TI最新高性能8核DSP处理器TMS320C6678及逻辑芯片XC5VLX110T的高速并行处理系统,不仅具有优秀的内核处理性能,而且互连接口具有极高的数据传输能力。考虑到处理对象的不确定性,系统还需要具有一定的通用性和深度扩展性。本课题设计以实际项目应用为依托,构建的并行处理系统硬件平台是整机系统的一部分,主要进行复杂算法的处理。板卡采用标准的6U尺寸,通过CPCI-E连接器与高速背板进行连接,实现系统互连和扩展功能。本系统设计以DSP + FPGA的系统构架为基础,采用松耦合互连方式,为每颗DSP和FPGA配置独立的高速外部存储器,处理器间基于高速串行接口(Hyperlink、SRIO)进行全互连,能够实现系统内处理器间任意重构。选用的互连方案克服了传统的基于总线的紧耦合互连方式带宽瓶颈问题,并且充分利用FPGA丰富的高速接口资源,提高了系统的扩展能力。课题涉及的内核频率、接口速率可达数GHz,并且选用芯片多数采用BGA封装,引脚数量和密度都极高,对PCB设计要求苛刻,需要考虑信号完整性、电源质量和功耗散热等问题,作者采用14层PCB叠层结构进行课题的板卡设计。本文详细介绍了高端多核处理器TMS320C6678和高速互连接口,给出了具体的系统方案和硬件电路原理设计,并详细介绍了系统PCB设计的内容,绘制完成了14层PCB板图,并对该PCB进行了仿真分析,保证了设计的可用性和稳定性,实现了基于高速互连接口的多DSP高速并行处理系统硬件平台的设计。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题背景  9
  1.2 课题相关技术  9-13
    1.2.1 高性能数字信号处理技术  9-10
    1.2.2 高速串行接口技术  10-12
    1.2.3 并行处理技术  12
    1.2.4 可重构技术  12-13
  1.3 发展现状及课题难点和目标  13-14
  1.4 论文结构  14-17
第2章 系统设计方案  17-35
  2.1 整机系统  17-18
  2.2 芯片选型  18-22
    2.2.1 DSP 处理器选型  18-20
    2.2.2 不同处理器比较  20-21
    2.2.3 FPGA 选型  21-22
  2.3 并行系统构架  22-33
    2.3.1 并行系统分析  22-26
    2.3.2 互连接口方案  26-31
    2.3.3 系统结构  31-32
    2.3.4 系统性能分析  32-33
  2.4 本章小结  33-35
第3章 系统接口电路设计  35-53
  3.1 TMS320C6678 电路设计  35-44
    3.1.1 JTAG 调试口电路设计  35-36
    3.1.2 时钟电路设计  36-38
    3.1.3 外部存储器电路设计  38-40
    3.1.4 高速串行接口电路设计  40-41
    3.1.5 TMS320C6678 其它部分电路设计  41-44
  3.2 XC5VLX110T 电路设计  44-51
    3.2.1 配置电路设计  44-45
    3.2.2 时钟电路设计  45-46
    3.2.3 Rocket IO 接口电路设计  46-48
    3.2.4 可配置IO 分配及电路设计  48-49
    3.2.5 存储器接口电路设计  49-51
  3.3 本章小结  51-53
第4章 系统电源  53-67
  4.1 系统功耗分析  53-55
    4.1.1 TMS320C6678 功耗分析  53-54
    4.1.2 XC5VLX110T 功耗分析  54
    4.1.3 高速存储器功耗分析  54-55
    4.1.4 系统总体功耗分析  55
  4.2 系统电源设计  55-62
    4.2.1 电源方案  55-56
    4.2.2 电源电路设计  56-62
  4.3 系统电源上电顺序  62-66
    4.3.1 系统电源上电顺序分析  62-64
    4.3.2 系统上电顺序电路设计  64-66
  4.4 本章小结  66-67
第5章 PCB 设计及信号完整性设计  67-83
  5.1 PCB 设计  67-74
    5.1.1 叠层设计  67-69
    5.1.2 PCB 布局  69-71
    5.1.3 PCB 布线  71-74
  5.2 信号完整性设计  74-81
    5.2.1 高速PCB 效应  74-76
    5.2.2 信号完整性分析  76-77
    5.2.3 HyperLynx 仿真  77-81
  5.3 本章小结  81-83
总结  83-85
参考文献  85-89
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  89-90
致谢  90

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 微型计算机 > 各种微型计算机 > 微处理机
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