摘要：文中提出了兩個微機串口與DSP處理器（TMS320VC5402）HPI（Host Port Interface,主機接口構(gòu)成）口通信問題的解決方案，該方案采用了單片機（AT89C2051）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并、并/串轉(zhuǎn)換，并控制DSP的HPI實現(xiàn)共享總線。給出了硬件連接電路和用FPGA（即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物）作為總線仲裁器的設(shè)計思路，介紹了HPI口的操作過程，單片機與微機串口之間通信的硬件設(shè)計方法。

　　DSP,數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing）是一門設(shè)計許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。

　　本文所介紹的是我所正在研制的衛(wèi)星CDMA接收機未端DSP與微機串口通信的接口電路。由于CDMA接收機支持兩個獨立CDMA信道的接收，并將兩路解調(diào)后的數(shù)據(jù)分別經(jīng)串口送至不同的計算機做后續(xù)的處理，所以接收機需要帶兩個RS232接口。RS232接口是1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。

　　微機的異步串口與DSP處理器通信的方法通常有三種，種方法是采用異步通信芯片擴展串口，如用TI公司的TL16C550完成數(shù)據(jù)的串/并、并/串變換。由地TL16C550提供了豐富的控制管腳和應(yīng)答信號，對其只需設(shè)置一些寄存器就可以進行靈活的控制，因此編程比較簡單，但是對其數(shù)據(jù)的讀取或者寫入則需要用到DSP的數(shù)據(jù)總線。第二種方法是將DSP的I/O口XF和BIO，或者將DSP的McBSP口用軟件模擬成異步串口。用這種方法，雖然DSP與微機串口之間無需串/并變換器件，硬件構(gòu)成也十分簡單，但是用這種方法DSP的編程就顯得比較復(fù)雜，用I/O口線模擬串口需要占用兩個定時器資源，并且只有在DSP操作不繁忙的情況下這種方法才可行。第三種方法是用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并、并/串轉(zhuǎn)換。較之種方法，這種方法增加了對單片機的編程，但單片機可以作為控制器操作DSP的HPI口，對DSP存儲器的數(shù)據(jù)上發(fā)可完全由單片機發(fā)起，DSP幾乎不需要作任何操作，也不需要用到數(shù)據(jù)總線。在DSP處理過程復(fù)雜、運算量大的情況下，這種方法特別有用。

　　在本系統(tǒng)中，我們采用的DSP處理器是高性能、低功耗的TMS320VC5402，用以實現(xiàn)系統(tǒng)的MAC層控制和數(shù)據(jù)的編碼、解碼工作，因此處理器的工作量非常大。另外DSP數(shù)據(jù)總線需要與作為基帶處理器的FPGA芯片（APEGEP20K600E）交換數(shù)據(jù)，為了避免引入額外的控制邏輯實現(xiàn)與數(shù)據(jù)總線重復(fù)使用，采有單片機控制HPI口的方法去實現(xiàn)DSP與雙串口的通信?？紤]到FPGA芯片的存在以及節(jié)省成本，系統(tǒng)并沒有采用價格昂貴且需用仿真器開發(fā)的雙串口單片機（如DS80C320），而是采用兩片AT89C2051，并借用物理層FPGA的冗長資源作為總線仲裁器來實現(xiàn)同樣的功能。

　　1 TMS320VC5402 HPI口結(jié)構(gòu)

　　TMS320VC5402上的HPI口是增強型的8bit主機接口（Enhanced 8 bit host port interface），專門用于與主機進行通信，通過它主機可以訪問TMS320VC5402片仙16K的RAM空間。這一接口由一個8bit的雙向數(shù)據(jù)總線和不同的控制管腳組成，能夠支持按高、低字節(jié)傳送16bit數(shù)據(jù)。TMS320VC5402提供三個跟HPI操作相關(guān)的寄存器--地址寄存器HPIA、數(shù)據(jù)寄存器HPID和控制寄存器HPIC。TMS320VC5402只能訪問控制寄存器，而主機則對這三個寄存器都可以訪問。主機欲隨機訪問TMS320VC5402的片內(nèi)RAM，需要先發(fā)送一個16bit地址到HPI地址寄存器（HPIA），然后通過數(shù)據(jù)寄存器（HPID）訪問該地址所指向的存儲單元。主機欲連續(xù)訪問一段RAM空間，則要先送該段的自地址到HPIA，然后以地址自動加一的方式訪問，即主機每訪問一個存儲單元后HPIA自動指向下一個單元。

　　HPI接口還提供了中斷邏輯同主機進行軟件握手。主機可通過對控制寄存器HPIC的第二位（DSPINT）置1中斷DSP芯片；DSP芯片可通過對HPIC的第三位（HINT）置1中斷主機，此時HPI的引腳HINT被置為低電平，從而向主機發(fā)出中斷請求；主機還可設(shè)置HPIC的位HINT為1使HINT腳回到高電平，從而清除中斷信號。

　　下面給出了HPI口相關(guān)的管腳說明：

　　HD0～HD7是8位雙向數(shù)據(jù)線，與單片機P1口相連，用于交換數(shù)據(jù)，雙向并行三態(tài)數(shù)據(jù)總線。當(dāng)不傳送數(shù)據(jù)（HDSx或HCS=1）或EMU1/OFF=0時，HD0～HD7均處于高阻態(tài)。

　　HCNTL1/0的組合用于選擇主機所訪問的HPI寄存器。主機控制信號，用來選擇主機所要尋址的寄存器。當(dāng)HCNTL1/HENTL0為00時，表明主機訪問HPIC；當(dāng)為01時，表明主機訪問用HPIA指向的HPID，每讀，HPIA事后增加1，每寫，HPIA事先增加1；當(dāng)為10時，表明主機訪問HPIA；當(dāng)為11時，表明主機訪問HPID，而HPIA不受影響。

　　16bit數(shù)據(jù)傳送時，HBIL為0表示傳送的是字節(jié)，為1表明傳送的第二字節(jié)，其中高8位在第幾個字節(jié)由HPIC中的BOB位決定。

　　HR/W指明當(dāng)前對HPI的操作是讀還是寫。高電平表示主機要讀HPI，低電平表示寫HPI。

　　HAS、HDS1/2、HCS用于鎖存上述控制信號。HPI提供兩種鎖存方式，一種是由HAS（主機地址鎖存信號）的下降沿鎖存各控制信號；另一種是由后三者共同完成，HCS為HPI的選通信號，接低電平，HDSI和HDS2中的任何一個的下降沿鎖存各控制信號。我們采用第二種方式，即HAS不使用，始終接高，HCS和HDS2接低，控制信號的鎖存由HDS1的低跳變來完成。該鎖存信號還指示了HPI口操作過程的開始。

　　HRDY為HPI準(zhǔn)備好指示，高電平表示HPI已準(zhǔn)備好執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送；低電平表示HPI正忙于完成當(dāng)前事務(wù)，用于連續(xù)高速主機。

　　HINT為DSP向主機發(fā)出中斷的引腳，HPI中斷輸出信號，受HPIC中的HINT位控制。

　　HPIENA為HPI使能控制信號，若系統(tǒng)選中HPI則將它連到高電平，否則懸空或接低電平。

　　2 單片機的I/O口分配、連線和程序設(shè)計

　　2.1 單片機I/O口分配

　　單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。

　　在本系統(tǒng)中，由于考慮到板子的面積問題，因而選擇了體積小的AT89C2051單片機，并省去了P0和P2口，增加了一個精密的模擬比較器，P1.0和P1.1除了作為I/O口（需外部電阻上拉）外，還同時作為比較器的正負(fù)極輸入，而P3.6則專門用作比較器輸出。因此AT89C2051提供了15根雙向I/O口線，除去P3.0和P3.1用作異步串口和P1.0～P1.7用作與HPI口數(shù)據(jù)總線通信外，還有5根I/O口線是可用的。由于還需要控制HPI口的各控制信號和與DSP的握手信號，剩下的5根I/O口線顯然不夠，所以還在FPGA里設(shè)計一鎖存器，把P1口當(dāng)作控制/數(shù)據(jù)復(fù)用口。具體的I/O口信號分配如下：

　　P1.0～P1.7接HPI口的數(shù)據(jù)線HD0～HD7。當(dāng)作控制信號復(fù)用時，

　　P1.0接FPGA內(nèi)鎖存器的鎖存信號；

　　P1.1經(jīng)FPGA鎖存，控制HCNTL0；

　　P1.2經(jīng)FPGA鎖存，控制HCNTL1；

　　P1.3經(jīng)FPGA鎖存，控制HBIL；

　　P1.4經(jīng)FPGA鎖存，控制HR/W；

　　P3.2接HPI的HINT；

　　P3.3接HPI的XF；

　　P3.4接HPI的HRDY；

　　P3.5為單片機請求發(fā)送信號，接FPGA的P3.5；

　　P3.7經(jīng)FPGA控制HDS1，鎖存HPI的各控制信號

　　圖1給出了HPI接口與兩片AT89C2051之間的連接圖。

　　2.2 單片機程序設(shè)計要點

　　單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復(fù)雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板。但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結(jié)果就會有天壤之別。只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。

　　上面講到，P3.5作為單片機的發(fā)送請求信號，當(dāng)天數(shù)據(jù)發(fā)送時為高電平，當(dāng)為低電平時則表示單片機想要發(fā)送數(shù)據(jù)，向總線仲裁器申請使用總線，總線仲裁器判斷當(dāng)前誰可以使用總線，然后通過外中斷0中斷DSP處理器，同時通過BIO口告知DSP當(dāng)前可以使用總線的單片機，終由DSP通過XF管腳集中控制單片機的總線使用權(quán)。單片機在獲取總線使用權(quán)并送完數(shù)據(jù)后，向HPI的控制寄存器的DSPINT位寫1，用中斷通知DSP。在單片機需接收數(shù)據(jù)時，DSP首先設(shè)置XF腳，選擇由哪個單片機接收，然后設(shè)置HINT腳為低，通過中斷告知單片機進行接收。單片機從HPI口接收時也應(yīng)置P3.5為低，以便保持總線仲裁器的單片機選擇信號BIO與XF腳一致。

　　在對單片機編程時需要注意以下幾點：（1）由于兩個單片機共享總線，為保證相互之間不會干擾，沒有使用總線的單片機P1口必須處于高阻態(tài)。根據(jù)P1口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單片機不使用總線時，往P1口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單片機不使用總線時，往P1口寫入0xFF即可達到這一目的。（2）由于P1口作為控制/數(shù)據(jù)信號復(fù)用口，故編程時，對每次HPI口操作，先在P1口送出控制信號，接著設(shè)置P1.0產(chǎn)生低→高的跳變，把控制HPI口的P1.1～P1.4信號鎖存到FPGA內(nèi)部的鎖存器，這時P1口才能作為數(shù)據(jù)端口，在P3.7產(chǎn)生一低跳變后，發(fā)起數(shù)據(jù)傳遞。（3）編程時，應(yīng)防止單片機被同時要求對HPI口進行收、發(fā)操作。這可以依據(jù)實際情況，靈活地進行處理，考慮篇幅的關(guān)系，這里將不再敘述。

　　3 總線仲裁器的設(shè)計

　　總線仲裁器的功能主要是根據(jù)單片機P3.5的總線請求信號，選擇當(dāng)前可以使用總線的單牒同，仲裁器的設(shè)計需做到單片機能夠公平競爭總線使用權(quán)。在兩個單片機競爭總線的情況下，用一個簡單的狀態(tài)機即可達到目的。狀態(tài)機state僅有兩個狀態(tài)S0和S1，P3.5為高電平時，不申請總線，狀態(tài)機保持原來的狀態(tài)；P3.5為低電平時，則根據(jù)當(dāng)前請求總線的單片機，狀態(tài)機轉(zhuǎn)換相應(yīng)的狀態(tài)。如單片機同時申請使用總線，則保持當(dāng)前的狀態(tài)不變。下面給出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表（S0表示選擇單片機1，S1表示選擇單片機2）：

　　state， MCU1_P3.5， MCU2_P3.5 =>state；

　　S0， 0， x =>S0;

　　S0, 1, 0 => S1；

　　S0， 1， 1 => S0；

　　S1， x， 0 => S1；

　　S1， 0， 1 => S0；

　　S1， 1， 1 => S1；

　　當(dāng)狀態(tài)機有狀態(tài)變換時，用FPGA產(chǎn)生一個脈寬約為1μs的低電平脈沖。這一信號接DSP外中斷INT0腳，用于中斷DSP，并且將狀態(tài)機的當(dāng)前狀態(tài)通過BIO腳告知DSP，指明正在請求使用總線的單片機。

　　除此之外，如前面所述，F(xiàn)PGA內(nèi)部還設(shè)置一鎖存器，由P1.0的高跳變將P1口送出的HPI口控制信號鎖存。至于控制HDS1的兩個P3.7信號，在FPGA內(nèi)部只需將兩信號相與即可。

　　4 單片機與微機串口的硬件連線

　　在IBM PC/XT微機系統(tǒng)中，其串口符合RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)。為提高抗干擾能力，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯，低電平在-5V～-15V之間（通常用-12V表示）為邏輯"1"，高電平在+5V～+15V之間（通常用+12V表示）為邏輯"0"。上述電平稱為EIA電平，它與TTL電平和CMOS電平不同。為了使AT89C2051能與微機進行串行通信，可以利用MAX232完成RS-232C電平與TTL電平的相互轉(zhuǎn)換。硬件連線圖在上圖2中已給出。

　　單片機程序在完成對串口的工作模式和波特率設(shè)置等初始化過程后，即可開始與串口通信。通信方式有查詢方式和中斷方式兩種。由于查詢方式需CPU不斷查詢標(biāo)志位，程序效率低，故在單片機操作比較繁忙的時候通常采用中斷方式，具體的編程應(yīng)用這里將不再介紹。

　　單片機在通電復(fù)位后8051內(nèi)的程序計數(shù)器（PC）中的值為‘0000’，所以程序總是從‘0000’單元開始執(zhí)行，也就是說：在系統(tǒng)的ROM中一定要存在‘0000’這個單元，并且在‘0000’單元中存放的一定是一條指令。單片機是器件級計算機系統(tǒng)，它可以嵌入到任何對象體系中去，實現(xiàn)智能化控制。

　　FPGA是現(xiàn)場編程門陣列器件。它和DSP集成在一塊芯片上，可實現(xiàn)寬帶信號處理，大大提高信號處理速度。據(jù)報道，Xilinx 公司的Virtex-II FPGA對快速傅立葉變換（FFT）的處理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供編程。Xilinx公司開發(fā)出一種稱作Turbo卷積編譯碼器的高性能內(nèi)核。設(shè)計者可以在FPGA中集成一個或多個Turbo內(nèi)核，它支持多路大數(shù)據(jù)流，以滿足第三代（3G）WCDMA無線基站和手機的需要，同時大大節(jié)省開發(fā)時間，使功能的增加或性能的改善非常容易。

　　在本文中介紹了通過FPGA芯片作為總線仲裁器，實現(xiàn)微機雙串口各自通過AT89C2051與DSP HPI口通信的設(shè)計方案。該電路與采用專用芯片的電路相比，顯得并不復(fù)雜，并且比較實用。由于與DSP存儲器之間的數(shù)據(jù)交換完全是由單片機發(fā)起的，因此DSP就可以從數(shù)據(jù)的傳送中解脫出來，去完成更復(fù)雜的控制和運算。實際應(yīng)用證明，這一電路能夠很好地達到我們的設(shè)計要求，在異步數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps情況下，可以可靠地實現(xiàn)微機雙串口與DSP之間的通信。