TMS320C54x的硬件结构.ppt

第二章：TMS320C54x的硬件结构2.1TMS320C54x硬件结构框图2.2总线结构2.3中央处理单元(CPU)2.4存储器和I/O空间2.5中断系统,2.1TMS320C54x硬件结构框图1.TMS320C54x内部结构（3大块）(1)CPU：包括算术逻辑运算单元(ALU)、乘法器、累加器、移位寄存器、各种专门用途的寄存器、地址生成器及内部总线。(2)存储器系统：包括片内程序ROM、片内单访问的数据RAM和双访问的数据RAM、外接存储器接口。(3)片内外设与专用硬件电路：包括片内定时器、各种类型的串口、主机接口、片内锁相环(PLL)、时钟发生器及各种控制电路。,2.TMS320C54x主要特性C54x是一款低功耗、高性能的定点DSP芯片（1）CPU部分先进的多总线结构(1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线)。40位算术逻辑运算单元(ALU)，包括1个40位桶形移位寄存器和2个独立的40位累加器。17位并行乘法器，与40位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法/累加(MAC)运算。,（1）CPU部分（续）比较、选择、存储单元(CSSU)：用于加法/比较选择。指数编码器：可以在单个周期内计算40位累加器中数值的指数。双地址生成器：包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元(ARAU)。,（2）存储器系统192K字可寻址存储空间：64K字程序存储空间、64K字数据存储空间及64K字I/O空间，对于C548、C549、C5402、C5410和C5416等可将其程序空间扩展至8M。片内双寻址RAM(DARAM)。C54x中的DARAM被分成若干块。在每个机器周期内，CPU可以对同一个DARAM块寻址(访问)2次，即CPU可以在一个机器周期内对同一个DARAM块读出1次和写入1次。DARAM可以映射到程序空间和数据空间。但一般情况下，DARAM总是映射到数据空间，用于存放数据。片内单寻址RAM(SARAM)。如C548、C5402、C5416等。,（3）片内外设软件可编程等待状态发生器。可编程分区转换逻辑电路。片内锁相环(PLL)和时钟发生器。可编程串行接口（4种）可编程定时器16位（12个）8位或16位主机接口(HPI)。多种节电模式：软件控制片外总线、CLKOUT、器件电压等。,（4）指令系统单指令重复和块指令重复操作。用于程序和数据管理的块存储器传送指令。32位长操作数指令。同时读入2或3个操作数的指令。可以并行存储和并行加载的算术指令。条件存储指令。从中断快速返回的指令。,2.2总线结构TMS320C54X总线结构是围绕8组16比特总线建立的。一组程序总线PB：传送从程序存储器来的指令代码和立即数；三组数据总线（CB、DB）：传送从数据存储器读出的操作数；（EB）：传送写入到数据存储器中的数据；四组地址总线（PAB、CAB、DAB、EAB）：传送执行指令所需的地址；,2.3中央处理单元（CPU）C54X的CPU由运算部件、控制部件和各种寄存器组成。1.CPU状态和控制寄存器C54xDSP有三个状态和控制寄存器：(1)状态寄存器0(ST0)；(2)状态寄存器1(ST1)；(3)处理器工作模式状态寄存器(PMST)。ST0和ST1中包含各种工作条件和工作方式的状态，PMST中包含存储器的设置状态及其他控制信息。,（1）状态寄存器（ST0）功能：反映寻址要求和计算中的状态；ST0的结构图：,含义：ARP辅助寄存器指针TC测试/控制标志位C进位位。OVA/OVB累加器A/B的溢出标志位DP数据存储器页指针,（2）状态寄存器（ST1）功能：反映寻址要求、计算初始状态、I/O终端控制,含义：BRAF块重复操作标志位。CPL直接寻址编辑方式位XFXF引脚状态位。HM保持方式位INTM中断方式位。OVM溢出方式位SXM符号位扩展方式位。C16双16位/双精度算术运算方式位FRCT小数方式位。CMPT修正方式位ASM累加器移位方式位,（3）工作方式寄存器（PMSTProcessorModeStatus）功能：设定并控制处理器的工作方式，反映处理器工作状态；,含义：IPTR中断向量指针。微处理器/微型计算机工作方式位OVLYRAM重复占位位。AVIS地址可见位,2.运算部件(6个)（1）算术逻辑单元（ALU）功能：C54X使用40bit的ALU和2个40bit累加器（A、B）完成二进制补码的算术运算：ALU可完成布尔运算；同时完成两个16bit运算（具有两个16位的ALU）组成：ALU组成框图见下图,ALU组成框图,（2）累加器功能：存放参加运算的数据或存放运算的结果（ALU或MAC）组成：三个部分（保护位作用：数据位余量，防止溢出，迭代运算）,累加器A和B的差别仅在于累加器A的3116位可以作为乘法器的一个输入。,（3）桶形移位器功能：能把输入的数据进行031bit左移和016bit右移移位数可以用以下方式定义：用一个立即数(-1615)表示。用状态寄存器ST1的累加器移位方式(ASM)位表示，共5位，移位数为-1615。用T寄存器中最低6位的数值(移位数为-1631)表示。用途：位提取、数字定标、扩展算术和溢出保护等，如：桶形移位器和指数译码器，可把A/B中的值在一个周期内进行归一化。,（4）乘/加单元组成：1717bit乘法器、40bit加法器、符号控制、小数控制、零检测器、舍入器、溢出/饱和逻辑、暂存器；功能：一个单指令周期内完成1717bit的二进制补码运算；用途：卷积、相关、滤波（LMS）、欧氏距离等运算；,（5）比较、选择和存储单元功能：从累加器（32bit）选择出较大的字（16bit）并存储在数据M；用途：在数据通信、模式识别等领域，经常要用到Viterbi(维特比)算法。C54xDSP的CPU的比较、选择和存储单元(CSSU)就是专门为Viterbi算法设计的进行加法/比较/选择(ACS)运算的硬件单元。,（6）指数编码器组成：完成EXP单周期指令的专用硬件；功能：将累加器中的指数值能以二进制补码的形式存储在T中；指数值含义：累加器中为消除非有效符号位所需移动的位数；计算：累加器的冗余位数-8；范围：813，超过32位，该操作产生负值；用途：累加器内容归一化；,3.特殊功能寄存器（P41）（1）第一类(26个)功能：主要用于程序的运算处理和寻址方式的选择及设定含义：辅助寄存器AR0-AR7：产生16bit数据空间，通用R；暂存器TREG：乘（加）法指令存放一乘数、EXP指令结果；过渡寄存器TRN（状态转移寄存器）：用来得到新的度量值存放中间结果Viterbi（用于在Viterbi算法中记录转移路径）；堆栈指针寄存器SP：指示栈顶在数据M位置，向下生长；,缓冲区大小寄存器BK：在循环寻址中确定缓冲区中数据的大小；块循环寄存器BRC：确定一代码循环的次数；块循环起始地址RSA：循环的开始地址；块循环结束地址REA：循环的结束地址；中断标志寄存器IFR：指明各中断源的状态；中断屏蔽寄存器IMR：独立的屏蔽特定的中断；其它：累加器A、B，方式控制R：PMST，状态R：ST0/ST1等。,（2）第二类（17个）功能：用于控制片内外设（串口、定时器、机器周期设定等）串口控制：,缓冲串口,ABU收发地址：,定时器：,其它：,小结（CPU）：DSP的内部控制逻辑完成各种具体流水线指令操作，它对于使用者是保密的。使用DSP实质上就是掌握上述特殊功能寄存器的功能及用法。对SFR功能的了解程度，直接关系到所设计程序的质量（运行速度、运算精度、代码效率、可靠性等）学习DSP硬件结构，很大程度上是掌握SFR的正确使用。本章首先掌握ST0；ST1；PMST,2.4存储器和I/O空间C54x的总存储空间为192K字存储器的组成（分为3个可选择的存储空间）：,C54x片内有随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。RAM有两种类型：单寻址RAM(SARAM)和双寻址RAM(DARAM)。C54x片内有26个映像到数据存储空间的CPU寄存器和外围电路寄存器。C54结构上的并行性及在片RAM的双寻址能力，使它能够在任何一个给定的机器周期内同时执行4次存储器操作，即1次取指、读2个操作数和写1个操作数。,1.存储空间的分配在C54x中，片内存储器的形式有DARAM、SARAM和ROM3种，取决于芯片的型号。RAM总是安排到数据存储空间，但也可以构成程序存储空间，ROM一般构成程序存储空间，也可以部分地安排到数据存储空间。C54x通过PMST的3个状态位(MP/MC、OVLY、DROM)，可以很方便地“使能”和“禁止”程序和数据空间中的片内存储器。以C5402为例给出了数据和程序存储区图，并说明了与MP/、OVLY及DROM3个状态位的关系。,说明：（1）DSP的工作方式控制寄存器中的OVLY（D5）位控制00003FFFH存储空间的片内/片外分配；（2）DSP的工作方式控制寄存器中的MP/MC（D6）位控制4000FFFFH存储空间的片内/片外分配；（3）TMS320C5402的23条程序地址线可扩展外部程序储存器到1M字。共16页，每页64k字。,2.程序存储器多数C54xDSP的外部程序存储器可寻址64K字的存储空间。它们的片内ROM、双寻址DARAM以及单寻址SARAM，都可以通过软件映像到程序空间。当存储单元映像到程序空间时，处理器就能自动地对它们所处的地址范围寻址。如果程序地址生成器(PAGEN)发出的地址处在片内存储器地址范围以外，处理器就能自动地对外部寻址。,(1)程序存储器-片内程序存储器片内存储器是否作为程序存储器，取决于软件对PMST的状态位MP/MC和OVLY的编程。表27。TMS320C54X片内ROM容量范围2K48K字；为了增强处理器的性能，对片内ROM再细分为若干块，这样就可以在片内ROM的一个块内取指的同时，又在别的块中读取数据。图2.14。,片内高2K字ROM中的内容是由TI公司定义的，这2K字程序空间(F800hFFFFh)中包含的内容。如图2.15。自举加载程序。从串行口、外部存储器、I/接口自举加载。256字A律压扩表。256字律压扩表。256字正弦函数值查找表。中断向量表。自举加载程序，可以将用户代码调入到程序存储器的任何一个位置。MP/MC硬件复位时=0，CPU从FF80H单元（通常存放转移指令自举加载程序）开始执行。,(2)程序存储器-片外程序存储器最多可扩展到1M,分为015页,23位地址线代替16位的地址线(C5402为20位的地址总线，C5420为18位)，扩展程序存储器的页号由XPC寄存器设定。为了通过软件切换程序存储器的页面，有6条专用的影响XPC值的指令。,3.数据存储器(1)片内数据存储器C54X片内数据存储器容量范围10K200K字节组成：片上ROM、DARAM、SARAM（表28）空间分配：,为了提高处理器的性能，片内RAM也细分为若干块。分块以后，用户可以在同一周期内从同一DARAM中取出两个操作数，将数据写入另一块DARAM中。图2.18,(2)片外数据存储器TMS320C54X片外数据存储器容量范围最大为48K根据CPU产生的地址自动寻址,4I/O空间C54X器件除了程序和数据存储空间外，还提供了64K字的I/O空间，位于器件外部：有两条指令用来访问此空间(输入指令PORTR和输出指令PORTW)对I/O空间寻址；访问I/O空间是对I/O映射的外部器件进行访问，而不是访问存储器；所有C54xDSP只有两个通用I/O，即和XF。为了访问更多的通用I/O，可以对主机通信并行接口和同步串行接口进行配置，以用作通用I/O。,2.5中断系统2.5.1中断系统概述中断：CPU终止正在执行的程序，转去执行一个请求中断的内部或外部的中断服务程序，待处理完毕后，又返回到被终止的源程序处继续执行。这一过程称为中断；中断系统：为实现中断功能而设置的各种硬件和软件。C54xDSP既支持软件中断，也支持硬件中断。当同时有多个硬件中断出现时，C54xDSP按照中断优先级别的高低对它们进行服务。,1.中断分类C54xDSP的中断可以分成两大类：第一类是可屏蔽中断。这些都是可以用软件来屏蔽或开放的硬件和软件中断。C5402只使用14个可屏蔽中断。；RINT0、XINT0、RINT1和XINT2(串行口中断)。TINT0、TINT1(定时器中断)。HPINT(主机接口)DMAC0DMAC5。(2)第二类是非屏蔽中断。这些中断是不能够屏蔽的，C54x对这一类中断总是响应，并从主程序转移到中断服务程序。C54xDSP的非屏蔽中断包括所有的软件中断，以及两个外部硬件中断：(复位)和。,非屏蔽中断：不能由用户用软件来屏蔽的中断。特点：一旦有非屏蔽中断请求，CPU必须予以响应。用途：用于某些十分重要的事件发生，如：掉电；可屏蔽中断：用户根据需要可用软件开放或禁止CPU响应中断。特点：软件指令控制，灵活方便。用途：一般事件处理。,2.中断处理一般过程：中断源请求中断；中断标志寄存器(IFR)CPU响应中断；预定义条件的满足保护现场；转中断服务；恢复现场；中断返回；,2.5.2中断标志寄存器(IFR)和中断屏蔽寄存器(IMR)1.中断标志寄存器（IFR）当一个中断出现的时候，IFR中相应的中断标志位置1，直到中断得到处理为止。,（1）共14个有效标志位（可屏蔽中断）：外部中断4个（INT0-INT3）定时器中断2个（TINT0-TINT1）串口定时器4个（两发/两收）DMA中断3个（DMAC0.4.5）HPI中断1个；,（2）IFR的操作置位：当硬件或软件中断发生时，相应位置“1”（挂起）。识别：CPU通过读IFR来识别挂起的中断。清除：,四种方法：,（3）串口中断：应在中服程序中清除IFR相应位，以免串口的重复中断（每接收/发送一个字符，产生一次）,2.中断屏蔽寄存器（IMR）是一个存储器映像的CPU寄存器，主要用来屏蔽外部和内部中断,说明（1）共14个有效位（与IFR对应）（2）当IMRi=0屏蔽该中断；IMRi=1不屏蔽该中断,（3）IMR的操作,3.中断方式控制位（INTM）说明：a)INTM是CPU状态寄存器ST1中的1位（第11位）,b)功能：,c)操作：,d)该控制位不影响不可屏蔽中断RS，NMI。e)该控制位不能用存储操作命令设置。,2.5.3接收、应答及处理中断1.接收中断请求产生一个中断请求时，IFR中相应的中断标志位被置位。不管中断是否被处理器应答，该标志位都会被置位。当相应的中断响应后，该标志位自动被清除。一个中断由硬件器件或软件指令请求。(中断源说明如表2-10所示。)(1)硬件中断请求硬件中断有外部和内部两种。,(2)软件中断请求软件中断都是由程序中的指令INTR、TRAP和RESET产生的。,注：PC=中断向量地址指针+中断向量号该指令允许执行任何可屏蔽中断该指令不影响IFR标志位不允许中断嵌套,a)INTRK；,b)TRAPK；除INTM不变外，其它同上。注：可实现中断嵌套可用软件指令在TRAP中服中置位INTMc)RESET注：功能：使处理器返回一个预定状态；复位指令：可在程序的任何时候产生；该指令影响ST0,ST1，不影响PMST,2.应答中断硬件或软件中断发送了一个中断请求后，CPU必须决定是否应答中断请求。软件中断和非屏蔽硬件中断会立刻被应答;屏蔽中断仅仅在如下条件被满足后才被应答。(1)优先级别最高(当同时出现一个以上中断时)。(2)状态寄存器ST1中的INTM位为0。(3)中断屏蔽寄存器IMR中的相应位为1。CPU响应中断时，让PC转到适当的地址取出中断向量，并发出中断响应信号，清除相应的中断标志位。,3.执行中断服务程序(ISR)(1)将PC值(