搜索
一、数字信号处理DSP技术TMS320C54X概述目录•一.DSP技术概述•1.DSP的含义•2.DSP芯片的特点•3.DSP芯片的应用•二.TMS320系列DSP芯片介绍•1.TMS320系列的基本结构•2.TMS320系列的分类•3.TMS320C54X的基本特点•4.TMS320C54X的BOOT设计•5.TMS320C54X的指令集•6.编程中需注意的问题•三.总结DSP技术概述DSP的含义•DSP（DigitalSignalProcessing）也就是我们常说的数字信号处理，它是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集，变换，滤波，估值，增强，压缩，识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。•DSP芯片就是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DSP芯片的特点•根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：•1.在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；•2.程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；•3.片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；•4.具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；•5.快速的中断处理和硬件I/O支持；•6.具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；•7.可以并行执行多个操作；•8.支持流水线操作，使取指，译码和执行等操作可以重叠执行。DSP芯片的应用•在近20年里，DSP芯片在信号处理，通信，雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。它的应用主要有：•1.信号处理---如数字滤波，快速傅立叶变换，相关运算，谱分析，卷积，模式匹配，加窗，波形产生等；•2.通信---如调制解调器，自适应均衡，数据加密，数据压缩，回波抵消，多路复用，传真，扩频通信，纠错编码，可视电话等；•3.语音---如语音编码，语音合成，语音识别，语音增强，说话人辨认，说话人确认，语音邮件，语音存储等；•4.图形/图像---如二维和三维图形处理，图像压缩与传输，图像增强，动画，机器人视觉等；•5.军事---如保密通信，雷达处理，声纳处理，导航，导弹制导等；•6.仪器仪表---如频谱分析，函数发生，锁相环，地震处理等；•7.自动控制---如引擎控制，声控，自动驾驶，机器人控制，磁盘控制等；•8.医疗---如助听，超声设备，诊断工具，病人监护等；•9.家用电器---如高保真音响，音乐合成，音调控制，玩具与游戏，数字电话/电视等。TMS320系列DSP芯片介绍•目前世界上生产DSP芯片的公司主要有TI（德州仪器）公司，AD（美国模拟器件）公司，Technologics（朗讯技术）公司和Motorola（摩托罗拉）公司四大公司，而TI公司则是世界上最大的DSP芯片供应商。TMS320系列产品就是该公司的DSP产品。TMS320系列的基本结构•1.哈佛结构。它不同于传统的冯.诺曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，每个存储器独立编址，独立访问。系统中设计了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。•TMS320系列DSP芯片更在基本的哈佛结构上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间；•2.流水线操作。TMS320系列处理器的流水线深度从2-6级不等，也就是说，处理器可以并行处理2-6条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。例如在一个三级流水线操作中，取指，译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能够完全重叠。这样就增强了处理器的处理能力。•3.专用的硬件乘法器。在一般形式的FIR滤波器中，乘法是DSP的重要组成部分。在TMS320系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可以在一个指令周期内完成。这样可以大量降低FIR的计算时间。•4.特殊的DSP指令。在TMS320系列中有一些特殊的DSP指令，它们在一个指令周期内用一条指令就可以实现普通需要几条指令才可以实现功能，如MAC指令，它可以在一个指令周期中完成一次乘法和一次加法运算。这样即节省了时间，又提高了编程的灵活性。•5.快速的指令周期。目前TMS320系列处理器的指令周期已经达到了20ns以下，有的甚至达到了几个ns，这使得DSP芯片能够实时实现许多DSP应用。TMS320系列的分类•TMS320系列处理器主要分为三种：•1.定点DSP芯片。它的数据是以定点格式工作的。如TMS320C1X，TMS320C2X/C2XX，TMS320C5X，TMS320C54X，TMS320C62X等几代产品。•2.浮点DSP芯片。它的数据是以浮点格式工作的。如TMS320C3X，TMS320C4X，TMS320C67X等。•3.多处理器DSP芯片。它内部集成了多个DSP芯片以获得更好的性能。如TMS320C8X。•在这些芯片中，TMS320C54X是为实现低功耗，高性能而专门设计的定点DSP芯片，它主要应用于无线系统中，下来我们对它做一个较为详细的介绍。TMS320C54X的基本特点•1.中央处理单元•先进的多总线结构，有一条程序总线（PB），三条数据总线（CB，DB和EB）和四条地址总线（PAB，CAB，DAB和EAB）•1个40位的算术逻辑单元（ALU），1个40位的桶形移位器和2个独立的40位累加器A和B•1个17x17的乘法器和两个40位加法器，乘法器可以耦合到加法器以完成单周期的MAC指令•内部集成了维特比加速器以及与它相关的比较，选择和存储单元（CSSU）•指数编码器用来在单周期内计算40位累加器值的指数•2个地址产生器，其中包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器运算单元•2.存储器•192Kx16-bit可寻址存储空间，其中包括64K字程序空间，64K字数据空间和64K字I/O空间，对于548，549，5402和5410还可以外部扩展程序空间•3.数据寻址•54X提供了7种数据寻址方式：•立即数寻址•绝对寻址•累加器寻址•直接寻址•间接寻址•存储器映射寄存器寻址•堆栈寻址•4.程序存储器寻址•使用程序计数器（PC）寻址，但是，对于一些指令需要用到绝对寻址。•5.中断•54X支持软件中断（如INTR，TRAP，RESET）和硬件中断，中断可分为可屏蔽中断（如TINT，INT0等）和不可屏蔽中断（如RESET和NMI），其中RESET的优先级最高，不可屏蔽中断的优先级高于可屏蔽中断的优先级，硬件中断的优先级则高于软件中断的优先级。•6.流水线•54X有6级流水线：预取指，取指，解码，访问，读取和执行。•7.运算速度•指令周期为25/20/15/12.5/10ns，运算能力为40/50/66/80/100MIPS（百万条指令/秒）。•8.低功耗方式•TMS320C54X可以在3.3V或2.7V电压下工作，三个低功耗方式（IDLE1，IDLE2和IDLE3）可以节省DSP的功耗，所以它特别适合于无线移动设备。•9.片上的外设•可软件编程的等待状态发生器，使得与速度较慢的设备通讯更加方便；•片上的锁相环时钟发生器可以对外部始终信号进行倍频或分频，从而得到自己所需要的时钟频率，当分频时还可节省系统的功耗；•可以禁止对外部数据总线，地址总线以及控制信号的控制；•可以软件编程的定时器；•一些特殊的端口：标准的同步全双工串行口和时分复用（TDM）串行口，自动缓冲串行口（auto-BSP），多通道缓冲串行口（MCBSP），直接内存访问（DMA）控制器和与外部处理器通信的HPI（HostPortInterface）接口。每一个型号的芯片都有各自不同的端口配置。•10.符合国际IEEE1149.1标准的边界扫描逻辑接口，即JTAG扫描逻辑电路，用于仿真和测试，可以实现在线仿真。TMS320C54X的BOOT设计•由于直接将程序写入DSP芯片非常困难，所以TMS320C54XDSP芯片都在片内设置有BOOT程序，它的主要作用是在开机时将用户程序从外部装入到程序存储器。•54X提供了多种BOOT方法，包括：•并行I/O口BOOT•串行口BOOT•HPIBOOT•外部并行BOOT•WARMBOOT•支持8位/16位及多块程序BOOT•这些不同的BOOT方式可以满足用户不同的应用场合。•在使用BOOT时，必须将DSP设置为微计算机工作方式，以便使DSP复位后能运行内部BOOT程序。TMS320C54X的指令集•54X的指令可以分为四个大类：算术指令，逻辑指令，程序控制指令，读取和存储指令•1.算术指令•包括了加法指令（ADD...），减法指令（SUB...），乘法指令（MPY...），乘加指令（MAC...）和乘减指令（MAS...），32位操作数指令（DADD,DSUB...）和一些专用指令（ABDST,FIRS,SQDST...）。其中大部分指令都只需要一个指令周期，只有个别指令需要2-3个指令周期。•2.逻辑指令•包括了与指令（AND...），或指令（OR...），异或指令（XOR...），移位指令（ROL...）和测试指令（BITF...）。根据操作数的不同，这些指令需要1-2个指令周期。•3.程序控制指令•包括了转移指令（B,BC...），调用指令（CALL...），中断指令（INTR,TRAP），返回指令（RET...），重复指令（RPT...），堆栈操作指令（FRAME,POPD...）和其它程序控制指令（IDLE,NOP...）。这些指令根据情况不同分别需要1-6个指令周期。•4.读取和存储指令•包括了读取指令（LD...），存储指令（ST...），条件存储指令（CMPS,SACCD...），并行的读取和乘法指令（LD||MAC...），并行的读取和存储指令（ST||LD...），并行的存储和乘法指令（ST||MAC...），并行的读取和加减指令（LD||ADD,LD||SUB）以及其它读取类型和存储类型指令（MVDD,PORTW,READA...）。这些指令根据情况不同分别需要1-5个指令周期。编程中需注意的问题•1.流水线冲突•TMS320C54X采用了6级流水线操作，因此流水线冲突不可避免。一般情况下，当发生流水线冲突时，由DSP自动插入延迟解决冲突问题。但有时DSP无法自动解决，这时就需要通过调整程序语句的次序或在程序中插入一定数量的NOP来解决。•2.目前，54X都有C语言和汇编语言开发工具，这使得开发DSP程序更加方便和高效。在某些情况下使用C语言会比较好，但是有时就需要用汇编语言，这时我们就可以采用C语言和汇编语言的混合编程方法来实现，以达到最佳地利用DSP芯片软硬件资源的目的。总结•在目前，现代通讯技术的发展，特别是数字通信，移动通信和卫星通信的普及，数字音响的商业化，大大地刺激了DSP芯片市场的壮大。•从现代通信等技术DSP芯片的要求来看，DSP芯片将有几个发展趋势：•向更低功耗方向发展•向更高的性能方向发展•向定制DSP芯片方向发展•向集成化方向发展•提供更加完善的开发环境