（信号与信息处理专业论文）gsm手机综测仪基带板的硬件和底层软件设计.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 lg s m 手机综合测试仪是对g s m 手机信号质量、协议及其他一些重要 j 一+ 指标进行测试的仪器。本论文将讨论综合测试仪基带模块设计。在设计过 程中，采用了d s p s + f p g a 的结构，因而使系统具有结构灵活，较强的通 用性，模块化设计等特点；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展， 1 适合于实时信号处理。7 本文共分五章。 ， 第一章对g s m 综测仪及其基带处理板进行总体的介绍，并分析了后 者硬件设计的主要思路。 第二章介绍底层软件涉及到的片内外设的使用方法。 第三章主要讲述基带板上d s p 系统进行自举的设计。 第四章结合g m s k 解调，分析了用f p g a 实现2 4 和3 9 比特相关器 的方法。 第五苹详细分析了g s m 系统中9 塑曼竖塑剑鲤遢篡鎏的d s p 实现。 关键词：g s m 手机综合测试仪，d s 爱f p g a 相关毁g m s k 调制解火 皇三型垫查兰堡主兰焦笙苎 一 一 a b s t r a c t i n t e g r a t i v et e s t i n gi n s t r u m e n t f o rg s mh a n d s e t si su s e dt om e a s u r e s o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r s o fg s mh a n d s e t s ，s u c ha ss i g n a lq u a l i t ya n d f u n c t i o np e r f o r m a n c e i t sb a s e b a n dm o d u l ei si m p l e m e n t e d w i t ht h e d s p s + f p g aa r c h i t e c t u r e t h i ss y s t e mi ss c a l a b l e ，m a i n t a i n a b l e ， u n i v e r s a la n ds u i t sf o rm o d u l a r i z a t i o nd e s i g no fr e a lt i m es i g n a l p r o c e s s i n ga sw e l l ，i tj u s tn e e d s as h o r td e v e l o p m e n t c y c l e b a s e do ns i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d si n c l u d i n gd s p sa n df p g a ，t h e i m p l e m e n t a t i o no fp h y s i c a ll a y e rp r o t o c o l so fg s m i sd i s c u s s e di nd e t a i l t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si st h eh a r d w a r ed e s i g n ，d e b u ga n d s u b s t r a t es o f t w a r ed e v e l o p m e n to fb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gb o a r d t h et h e s i sc o n s i s t so ff i v ec h a p t e m ： i nc h a p t e r1 ，g s m i n t e g r a t i v et e s t i n gi n s t r u m e n ta n d i t sb a s e b a n d s i g n a lp r o c e s s i n gb o a r d a r ei n t r o d u c e db r i e f l y t h em a i nc o n s i d e r a t i o n s o fh a r d w a r e d e s i g no ft h el a t e ra r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r i i ，o n - c h i pp e r i p h e r a l su s e d i ns u b s t r a t ed s ps o f t w a r ea r e i n t r o d u c e d i nc h a p t e ri l l ，t h eb o o t d e s i g no fd s ps y s t e mi sd i s c u s s e d i nc h a p t e r t h ef p g a i m p l e m e n t a t i o no f 2 4b i ta n d3 9b i td i g i t a l c o r r e l a t o r si sa n a l y z e d i nc h a p t e rv ，d s pi m p l e m e n t a t i o no fg m s km o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o na l g o r i t h m si ng s m s y s t e ma r ed i s c u s s e d i nd e t a i l k e y w o r d g s m ，i n t e g r a t i v et e s t i n gd e v i c e s f o rg s m h a n d s e t s ， f p g a ，d s p ，d i g i t a lc o r r e l a t o r s ，g m s km o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：塾至璺釜 导师签名： 日期：夕和 皇王型垫查堂堡主堂焦堡塞 g s m d s p f p g a m c b s p d m a g m s k f c c h s c h t a t s c s w w s r h p i h p i a h p l c h i n t 主要符号表 g l o b es y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y m u l t i c h a n n e ib u f f e r e ds e r i a ip o r t d i r e c tm e m e r ya c c e s s i n g g a u s s i a nf i l t e r e dm i n i m u ms h i f tk e y i n g f r e q u e n c y c o r r e c t i o nc h a n n e l s y n c h r o n j z a t i o nc h a n n e l t i m i n ga d v a n c e t r a i n i n gs e q u e n c y s o f t w a r ew a i t s t a t er e g i s t e r h o s tp o r ti n t er f a c e h p ia d d r e s s r e g i s t e r h p ic o n t r o lr e g i s t e r 5 4 x t o h o s tp r o c e s s e ri n t e r r u p t v 电子科技大学硕士学位论文 1 1 背景 第一章引言 g s m ( 全球移动通信系统g l o b es y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 虽谈不上是当今最先进的移动通信网，但它的确是目前世界上最成熟、规 模最大的移动通信系统。据g s m 行业协会近1 3 公布的调查数字显示，目 前，全球g s m 网手机用户已接近7 5 亿。而中国是目前推动g s m 市场增 长的最主要动力，并且已发展成为全球最大的手机市场，用户数量从2 0 0 1 年5 月的8 2 4 0 万增至当前的1 6 亿户。 随着g s m 移动电话在国内迅速的迅速普及，对手机的测试和维修服 务的需求也迅速增大。从而g s m 手机综合测试仪作为对g s m 手机的各项 重要指标进行综合测试的仪器，其本身的开发与发展也是引人瞩目的。 g s m 手机综合测试仪在9 0 年代初由德国r & s ，美国h p 等世界著名的 仪器公司开发并推广使用，现在已经推出多个型号，如德国r & s 的c t s 一 5 5 矛l l a g i l e n t 公司( h p 公司仪器事业部分拆而成立的公司) 的e 6 3 9 2 b 等。 但国内目前还没有相应的具有自主知识产权的产品，这种状况与中国 这个世界最大的g s m 运营网络的地位极不相称。因此研制和生产国产的 g s m 手机测试设备势在必行。我们与成都前锋电子仪器厂合作开发的这套 编号为q f 4 9 4 2 的手机综测仪就具有重要的意义。一方面，它填补了国内 的空白；另一方面，它为后续的c d m a 综测仪奠定一定的技术基础。 下面先介绍该综测仪的基本结构。 1 2 综测仪基本结构 g s m 体系结构主要可以分为以下几个部分： 1 移动台( m s ) 。它能通过无线接入进入通信网络，完成各种控 第一章引言 制和处理以提供主叫或被叫通信；具备人机接口：移动台必须包 含用户识别模块( s i m ) ，s i m 卡和硬件设备一起组成移动台。 2 基站分系统( b s s ) 。基站分系统由基站收发台( b t s ) 和基站 控制器( b s c ) 组成，包含了g s m 数字移动通信系统中无线通 信部分的所有地面基础设施，它通过无线的接口直接与移动台实 现连接。 3 网络分系统( n s s ) 4 操作和维护分系统( o m c ) 对手机的测试实际是针对无线接口的测试，因此不必考虑网络分系统 和操作和维护分系统。这样，手机和综测仪就构成了一个单移动台、单基 站的最小g s m 网络。其中，综测仪相当于功能简化的基站。 不过，g s m 综测仪与实际的g s m 基站相比，还存在以下差别： 1 不需要语音编、解码功能。它测试语音，只是将g s m 手机传来的 语音重新发送给手机( m s ) ，称为“回声”测试，这样，语音的编、 解码都是手机完成的，综测仪本身并不需要语音编、解码功能。 2 不需要加密、解密过程。因为综测仪测试的手机指标，与加、解密 过程无关，所以没有必要；同时g s m 中的加、解密算法是保密的， 也没有可能。 3 m s 的数量问题。在g s m 综测仪中只有个m s 用户，该用户只 与综测仪进行通信，不存在交换问题，也不存在小区切换问题，因 而大大降低了复杂程度。 根据基站的组成结构，可以将整个综测仪划分为4 个相对独立的功能 模块：x 8 6 平台、模拟控制板、射频板和基带板。如图1 1 示： 2 电子科技大学硕士学位论文 2 0 2 信号连接线 图1 1 综测仪系统结构图 各模块的功能说明如下： x 8 6 平台的功能主要是完成人机界面。一是从测试控制面板得 到测试指令并转发给基带板；二是将测试结果以及当前测试状态 通过液晶屏显示出来。 射频板主要是射频模拟信号的发射、接收的处理以及相应的收发 频段的管理。 模拟控制板的任务包括：提供1 3 m 高稳时钟源，为射频板提供 r a m p 、t x e n a b l e 、r x e n a b l e 等信号以及锁相环控制信号。 基带板完成基带信号处理和信令管理，并接受x 8 6 平台控制， 完成g s m 手机综合测试。 从上面可以看出，与g s m 有关的协议实现，如调制解调、信道编解 码、帧结构、复杂的信令组织和所有的测试等，完全是由基带板完成。所 以，基带板是整个系统研制过程中的重点和难点。我们的工作正是围绕基 带板展开的。 3 第一章引言 1 3 基带板的结构 从功能上说综测仪主要完成以下测试任务： 1 无线接口信令的测试。包括网络接入、呼叫、摘挂机等内容的测试。 2 手机语音信号质量测试。包括突发脉冲功率斜坡、相位误差、频 率误差和定时误差测量。 根据以上测试任务，将基带板又划分为以4 块d s p 为核心的功能模块： 1 发送模块：将信令模块传送过来的数据进行g m s k 调制，并交由 d ，a 模块发送出去。 2 信令模块：实现无线接e l 信令；完成部分语音处理功能；在此模块 内完成信道编码、交织功能。 3 接收模块：从a d 接收到数据后，经过g m s k 解调、去交织和信 道解码，然后将数据交由解码模块和信令模块处理。 4 测试模块：完成相位误差、频率误差、定时误差以及功率斜坡的实 时测试工作。 在详细分析整个测试过程后，可以得到各个功能模块之间的关系，由 此，制定了g s m 手机综合测试基带模块的硬件实现方案。其结构如图12 所示： 4 电子科技大学硕士学位论文 图1 2 系统结构图 图中的h p i 是基带板所有的d s p 同x 8 6 完成数据交换的通道。它的 另一个很重要的功能，就是将程序引导入各d s p 。第三章将详细讨论这个 问题。 发射d s p 、接收d s p 和测量d s p 同信令d s p 之间的双口r a m 以及 它们之间的中断资源，实现了四个模块相互通信。 接收d s p 有大量的数据需要传递给测量d s p ，这种传递是单向的， 速率要求也不高，所以没有必要使用较贵的双1 ：7 1r a m ，而用c 5 4 0 9 自己 的片内外设( 多通道缓冲串1 3 ) 进行连接。第二章将详细讨论多通道缓冲 串口的使用。 可见整个系统具有一定的冗余处理能力，这种设计方式使各模块之间 可以相互支撑，硬件系统具有很强的灵活性，使设计方案在大原则不变的 基础上可以作小的微调。 从图1 - 2 上还可以看出，整块板子使用了大量的中断资源。对中断的 5 第一章引言 处理，采取发中断者不管，由接收中断者自己管理的策略。所谓管理中断 是指不能让d s p 的中断管脚一直保持低电平，接收中断的d s p 一进入中 断，便主动清中断。 1 4d s p 与f p g a 开发介绍 随着大规模可编程器件的发展，采用d s p + a s i c 结构的信号处理系 统显示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，a s i c 芯片 具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批 量应用时，可降低成本。在本综合测试仪器的设计过程中，接收模块采用 了d s p + f p g a 的结构。这种结构最大的特点是结构灵活，有较强的通用 性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率：同时其开发周期较短，系 统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。 实时信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处 理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用f p g a 进行硬件实现， 这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较 低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、 通信机制强大的d s p 芯片来实现。 本设计中的d s p 主要用于运算部分：接收模块，解码模块，发射模块， 信令模块。它们的算法相对复杂，灵活，完成由模拟板送来的基带信号和 控制信号的处理，完成信号的信道解码。接收信道解码后的信号，进行信 源解码，去交织，以及完成对一些参数的计算，如：频率误差，相位误差， 定时误差，功率斜坡测试等。对大部分信令，1 8 4 个比特的消息，经过 f i r e 码和1 2 卷积码等编码处理后，达到4 5 6 个比特，交织( 按一定规律 分在) 在8 个半突发脉冲上，或者4 个整突发脉冲上。还要完成消息的组 织，无线信道的分配，移动管理，通信管理，短消息业务等。 6 皇王型垫查兰堡圭兰垡笙壅 一一 1 4 1d s p 开发 在选用d s p 芯片时，主要应考虑其性能能否满足实时处理算法的要 求。具体说就是要求选择那些指令周期短、数据吞吐率高、通信能力强、 指令集功能完备的处理器，同时兼顾成本、复杂程度、功耗和开发难易程 度等因素。根据本系统的实际要求，通过核算实时处理的运算量、多d s p 并行处理效率以及多d s p 间相互通讯的要求等，最后确定采用 t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 9 ，以下简称c 5 4 0 9 。 c 5 4 0 9 是1 6 位定点d s p ，采用了改进的哈佛结构。它有一条程序总 线和三条数据总线，高度并行性的算术逻辑单元a l u ，专用硬件逻辑，片 内存储器，片内外设和高度专业化的指令集，使该芯片速度高，操作灵活。 哈佛结构的程序和数据空间分开，允许同时对程序指令和数据进行访问， 提供了很高的并行度，两个读和一个写操作可以在一个周期里完成。因此， 并行存储指令和专用指令可以在这种结构的中得到充分利用。另外，改进 的哈佛结构使数据可以在数据和程序空间之间传送。并行性支持在一个机 器周期里完成一系列算术、逻辑和位处理运算。另外，c 5 4 0 9 有管理中断， 循环运算和功能调用的控制结构。在c 5 4 0 9 中，算术逻辑单元的移位器和 指数检测器使得各种数值运算执行单周期化，比较选择存储单元( c s s u ) 大大加速了v i t e r b i 译码的速度。c 5 4 0 9 的外围通讯能力也很强，有3 个 b s p ( 缓冲串口) ，1 个h p i ( 主机接口) ，为多d s p 结构设计提供了基础。 至于d s p 的开发，过去主要依靠基于d o s 的汇编器、c 优化器、连 接器和硬件仿真器e v m 等工具。一是需要记忆大量的命令行参数，二是要 将整个工作过程要分好几个阶段来完成。这种情况在t l 公司的c c s 投入 市场后发生了巨大的变化。c c s 提供的主要功能包括： 1 设置工程文件。首先将编写好的c 、汇编、h 头文件、以及编 译完成的0 b j 、l i b 文件添加到p r o j e c t 下；然后将内存定位 的c m d 文件添加到p r o j e c t 下，并根据目标系统的实际存储器 和具体要求做相应的修改；若使用了d s p b i o s ，还需将配置 文件c d b 添加到p r o j e c t 下。这些工作完成后，只需使用b u i l d 7 第一章引言 或r e b u i l da l l 命令就可以完成该工程的编译连接。至于编译 连接时复杂的可选参数，可在p r o j e c t o p t i o n s 下对编译器、 汇编器和连接器进行分别设置。设置时多用下拉菜单和复选框 的形式进行，免去了记忆大量参数的负担。 2 探点工具( p r o b ep o i n t ) 。当程序运行到探针位置时，可以自 动从p c 主机读入数据或输出数据，特别适用于算法的仿真。 探点实际上也是一种特殊的断点。它也要中断目标系统的运 行。当完成数据的传输后自动恢复运行。可以设置多个探点， 或一个探点对应多个数据文件；探点工具还可以运行在 s i m u l a t o r 下。 3 断点工具( b r e a kp o i n t 。c c s 支持的断点工具比起一般调试 工具来，功能更强大，比如它支持h w 模式的断点，条件断 点，对程序、数据、i o 三个空间的读、写、访问时断点。 4 评估点( p r o f i l ep o i n t ) 。c c s 可以使用两种方式对一个程序的 运算量进行评估，一是设置断点，测试两个断点之间所运行的 c p u 时钟周期数；另外一个就是设置评估点。设置评估点的 好处在于，它可以通过多次运行一段程序，然后以统计的方式 对这段程序的运算量作出评估。第五章谈到g m s k 调制程序 的编写，就使用了这个工具对算法的运算量进行评估，这对方 案的可行性的论证相当重要。 5 图形工具的使用。c c s 的图形工具可以将存储器内的一段数 据按要求显示出眼图、波形、星座图等。 1 4 2 可编程逻辑器件设计 现场可编程门阵列( f p g a ) 是在专用a s i c 的基础上发展起来的， 它克服了专用a s i c 不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其 优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要 配置，对电路的修改和维护很方便。目前，f p g a 的容量已经达到了百万 门级，使得f p g a 成为解决系统级设计的重要选择方案之一。 8 电子科技大学硕士学位论文 本设计中的f p g a 主要完成相关器的功能。相关器是对输入的数据流 ( 由接收d s p 输入) 和相应的标准t s c ( f p g a 中预先设置好的训练序 列) 进行同或运算，统计得到的比特串中的1 的个数。此外，还完成接收 d s p 外围译码电路和时钟管理。f p g a 完成的运算相对简单，但对其处理 速度要求很高。特别是相关器，它是对3 9 个左右的比特s 并行同或。如果 用d s p 来实现相同的功能，则其速度要求为至少3 9 m i p s 。而接收d s p 还要完成解调算法，所以用f p g a 来完成具有现实意义。 我们使用的f p g a 是x i l i n x 公司的x c 4 0 1 3 ，软件使用x i l i n x 公司的 f o u n d a t i o n 。设计方法采用v h d l 和原理图混合设计，顶层采用原理图。 下面分了三个模块，外围译码模块、时钟管理模块和相关器模块。其中相 关器采用v h d l 设计。在完成设计后，先进行功能仿真，然后进行时序仿 真。通过这些工作证明设计方案可行后，就下载到f p g a ，进行实际验证。 1 5 论文的组织结构 本文围绕d s p s + f p g a 结构这种数字信号处理方法，阐述了它在 g s m 综测仪中的应用，特别是针对g m s k 信号调制解调，给出了自己的 实现方案。主要涉及手机综测仪基带处理板的硬件设计，调试和底层软件 开发等内容。 首先介绍了我们使用的d s p s t i 公司的c 5 4 0 9 的片内外设和它的自 举的实现。自举是每一个独立系统必备的功能，本文针对c 5 4 0 9 ，结合自 己的工作，介绍了两种自举实现方式；c 5 4 0 9 的片内外设极大地增强了d s p 的处理能力。其中可编程时钟发生器和定时器，产生了g m s k 信号必要的 码率控制。而m c b s p 和d m a 提供了接收模块和测量模块之间的通信能力。 接下来，就g m s k 解调时所必须解决的b u r s t 同步问题，介绍了如何 用f p g a 实现相关器。 最后从g m s k 调制解调的算法分析入手，结合前面相关内容，详细讨 论了其具体实现。 9 第二章d s p 片内外设的使用 第二章d s p 片内外设的使用 5 4 0 9 提供的片内外设( o n c h i pp e r i p h e r a l s ) 是d s p 的重要组成部分。 它大大增强了d s p 的处理能力。在基带板的设计中，接收d s p 和测量d s p 之间就是依靠工作在d m a 方式下的多通道缓冲串口进行相互通信；而定时 器和时钟发生器则为发射d s p 提供了控制发射码率的能力。至于h p i ，由于 跟引导设计更密切相关，在下一章讲述。 2 1m c b s p 的使用 m c b s p 设计是在t m $ 3 2 0 c 2 x 、c 2 0 x 、c 5 x 、c 5 4 x 的标准串口上扩 展而来，5 4 0 9 的m c b s p 具有以下基本特性： 全速双工通信 双缓存发送和三缓存接收数据寄存器，以支持连续传送 收和发使用独立的帧和时钟 直接与多媒体数字信号编解码器的工业标准接口，以及有模拟 接口和与串行a d c ，d a c 的接口。 外部变速时钟发生器，内部可编程时钟发生器 可直接与t i e 1 帧、m v i p 和s p i 等等多种格式接口，特别是 由于它具有多相同步帧传输的能力，所以可以j g e t i 公司的 a d c ，d a c 器件直接接口。 多通道收发，通道数达1 2 8 。 字宽可选： 8 一，1 0 一1 2 - ，1 6 一，2 0 - ，2 4 一或3 2 l t ；特。 u l a w 或a l a w 压缩与扩展。 8 比特传输时可选先传l s b 或m s b 。 帧信号与时钟信号极性可编程。 测量d s p 同接收d s p 之间通过三根线将串口连接起来后就可以进行快 速的数据交换。为减轻c p u 的负担，使串1 ：3 通过d m a 方式工作在自动缓冲 1 0 电子科技大学硕士学位论文 模式。下面对m c b s p 作一简单介绍。 2 1 1m c b s p 概述 图( 2 1 ) 给出了m c b s p 与外部设备数据与控制相连的示意图。 图( 2 1 ) m c b s p 与外部设备数据与控制连接示意图 表( 2 1 ) 外部管脚说明 m c b s p 与外设进行数据传输，通过( d x ) 脚来发送，( r x ) 脚来接 酾州 撩等一 第二章d s p 片内外设的使用 收。通信的时钟与帧信号由c l k x ，c l k r ，f s x 和f s r 脚来控制。c 5 4 x x 对m c b s p 的控制由1 6 位的控制寄存器实现。d s p 的c p u 或d m a 从数 据接收寄存器( d r r i ，2 】) 读取接收数据，发送时向数据发送寄存器 ( d x r 1 ，2 】) 写数据。数据写入( d x r 【1 ，2 】) 后通过传输移位寄存器( x s r 1 ，2 】) 移位输出到d x 上，同样，从d r 上接收的数据，移位存储到接收移位寄 存器( r s r i ，2 1 ) 并拷贝到接收缓存寄存器( r b r 1 ，2 1 ) 。然后，再由 ( r b r 1 ，2 】) 拷贝到d r r 1 ，2 】，o r r 1 ，2 】就可以由c p u 或d m a 来读出。多 级寄存器允许在通信时内部和外部数据同时传输。当采用字传输时，即 r x w d l e n 1 ，2 付旨定为8 ，1 2 。或1 6 一比特模式时，不使用d r r 2 ，r b r 2 r s r 2 ，d x r 2 及x s r 2 寄存器。 其他c p u 可访问的寄存器是m c b s p 控制寄存器，详细见表( 2 3 ) 。如图 l 所示，控制方框包含：内部时钟、帧同步信号的产生与控制，多通道的控 制。控制方框还传送一些状态和事件信息给c p u 和d m a 控制器，这包括( 表3 2 ) 所列的两个中断和4 个事件信号。 表2 2m c b s p 的中断和事件信息表 2 1 2 串口的基本配置 m c b s p 的功能由三类寄存器实现，一是有相应m m r 地址，但却只能由串 口本身才能访问的寄存器，包括接收移位寄存器( r s re i ，2 ) 、接收缓冲寄 存器( r b r 1 ，2 ) 和发射移位寄存器( x s r 1 ，2 ) 。二是可通过m m r 寻址访 1 2 皇王登垫查堂堡主堂竺笙苎 问的寄存器，包括d r r 1 ，2 、d x r 1 ，2 、s p s a 和s p c d 。这几个寄存器用户 可以直接访问的。为提高可读性，一般编程时都将要使用的m c b s p 的删r 的 地址用一个符号来取代。其地址由( 表2 - - 3 ) 给出。三是通过子地址寻址 方式可以访问个1 6 位的串口控制寄存器。这些寄存器的主要功能是设置串 口的工作方式。对它们的访问方法是，由s p s a 提供访问的寄存器的子地址， s p c d 提供访问的内容。c 5 4 0 9 的每组m c b s p 共有1 5 个这样的寄存器，每个寄 存器又有很多字段，有时即使某个字段设置错误，也可能使m c b s p i _ 作不正 常甚至根本不工作。对它们的设置也很复杂，限于篇幅，这里不再讨论， 详见参考文献【1 4 】 表2 3m c b s p 可直接访问的m m r 及其地址 2 1 2 串口工作过程 在多通道缓冲串口中，发射是双缓冲，接收则是三缓冲，它们各自的 过程描述如下，如图( 2 1 ) 所示。 发射的过程：c p u 或d m a 将要发射的数据写入d x r ( 初始) ，x s r 一旦空，即x s r 的最后1 比特被发到d x 引脚，则d x r 被拷贝到x s r ， x s r 将数据按设定的发射速率( 即c l k x 的速率) 一拍一拍发到d x 脚。 d x r 一旦被全部拷贝到x s r 中，s p c r ( 子地址为o 的串口控制寄存器) 中的x r d y 会从0 变为1 ，且这个变化将根据模式表( 2 2 ) 触发一个发射 1 3 第二章d s p 片内外设的使用 中断或者同步发射事件，其意义在于通知d m a 或c p u ，d x r 可以继续载 入数据。 接收过程：d r 脚上的数据按接收时钟( 即c l k r 的速率) 被移入 r s r 1 ，2 1 ( 如果字长超过1 6 比特，才使用r s r 2 ) t r s r 一旦满，就将数 据拷贝到d r r 。这个拷贝一旦完成，s p c r 2 中的r r d y 位会从0 变为1 ， 这个变化同时触发一个串口接收中断或接收事件。 作为一个典型例子，下面的时序图反映了上述过程。 c l k r f s r d r c l k x f s x 2 1 3 串口典型使用 图2 2 串口工作时序 5 4 0 9 的串口功能强大，通过设置相应的控制比特，可以使用它对语音 信号进行a 律和律p c m 编、解码。我们编制了一个例程，让串口工作在 环回模式，即发送的数据不通过管脚直接在内部环回到输入。我们在输入 缓冲区放了一段连续的数据。图( 2 3 ) 用c c s 的图形功能显示这段数据的 内容。而图( 2 4 ) 显示的则是接收的数据，它是经过串口进行了p c m 编码 后的数据。对比两图可得n a 律编码的对应关系。 1 4 电子科技大学硕士学位论文 图2 3p c m 编码输入缓冲区图形显示 图2 4p c m 编码输出缓冲区图形显示 2 2d m a 的使用 使用d m a 可以大大减轻c p u 的负担。不过，d m a 的使用也是一件 相当复杂的事。由于我们只使用它的a b u 功能，所以这里也仅就它的a b u 工作模式作一说明。 5 4 x 系列d s p 的串口有个a b u 单元，可以通过直接初始化串口扩展 控制寄存器( b s p c e ) ，让它工作在自动缓冲模式下。其功能由图( 2 5 ) 说明： 1 5 塑三兰! ! ! 苎堕丛堡塑堡旦一 图2 5b s p 功能说明 但5 4 x x 系列，如5 4 0 2 、5 4 0 9 和5 4 2 0 m c b s p 取消了这个功能。它 推出了d m a 这个外设。d m a 在概念上与自动缓冲十分接近，所以d m a 取代了a b u 功能，并有所加强。如对r a m 的访问，5 4 x 只能访问d s p 的 片内r a m ，而d m a 工作在a b u 模式时，对r a m 的访问扩展到整个数据 空间，也就是说，即使是外部扩展的r a m ，也可以通过d m a 访问。 5 4 0 9 支持d m a ，它具有以下特点： 后台操作，完全独立于c p u 六个通道，支持多帧信道，且对每个通道的每次读和写都的源地址和目 的地址都可以单独配置。地址可以保持不变、递增、递减，递增和递减 的大小默认是1 ，也可以由一个可编程的值来调整。 d m a 可以访问所有的存储器，包括扩展地址范围。 1 6 电子科技大学硕士学位论文 传输字长可以编程，比如单字、双字等。 自动初始化。一旦一个块传输完成，一条d m a 通道可以为下一次块传 输自动初始化。 每个单元传输可以初始化为特定的事件。 2 2 1 d m a 的操作和配置 d m a 操作和配置是通过一套m m r 完成的。它采用类似于上面 m c b s p 的子地址寻址m m r 。如图( 2 6 ) 示： s u b a d d r e s s e d r e g i s t e r s 图2 6 访问d m a 子寄存器过程示意图 图中d m s a ：d m a 予地址寄存器 d m s d i ：使d m a 子地址寄存器在访问后自增长的子数据寄存器。 d m s d i ：；使d m a 子地址寄存器在访问后保持不变的子数据寄存 器。 通过这种子地址寻址的方法可以访问的子地址从0 h - 2 7 h l 拘4 0 个子寄 存器。它们的命名一般有如下规律：d m 作前缀，表明是与d m a 相关的寄 存器；末尾的数字从0 变到5 ，表明属于哪个通道。 d m s r c x = 源地址寄存器 d m d s t 又：目的地址寄存器 d m c t r ：比特计数寄存器 1 7 第二章d s p 片内外设的使用 d m s f c x ：同步选择和帧计数寄存器 d m m c r x ：发送模式控制寄存器 其余的寄存器，与a b u 模式无关，不再讨论。这里需要说明的是，在 d m a 方式时如何使用中断。 d m m c r 的d i n m 、i m o d 和c t m o d 三个比特位决定d m a 如何处理中 断。d i n m 是决定是否产生中断的开关，如为0 时，则不产生中断，否则将 按照i m o d 和c t m o d 配置的方式产生中断。c t m o d t 目 示d s p i 作于多帧 模式还是a b u 模式。c t m o d 为1 时设为a b u 模式。如果i m o d 为1 ，是在设 置的缓冲区半满时产生中断；如果为o ，则全满时产生中断。 d m p r e c 的7 6 位域称为i n t o s e l ，它的作用是d m a 控制器可以 为六个通道产生c p u 中断，但由于c p u 内部中断输入数的限制，通道0 ，1 ， 2 ，3 必须和其他中断源复用。当5 4 0 9 复位后，i n t s e l 设为”0 0 ”的，也就是 说这些中断屏蔽了d m a 的中断。因此，要使用这些通道，就必须通过设置 让d s p 重新指向这些中断。完成这个工作的，就是d m p r e c 寄存器的 i n t s e l 字段。 表( 2 4 ) d m a 中断共享 为了使串口工作在a b u 模式，要同时初始化m c b s p 和d m a 。从上面 可以看出，串1 3 , ； i d m a 的设置涉及的寄存器太多，相当的复杂，也很容易 出错。即使一个字域出错，都会导致串口工作不正常。为了方便高层软件 的编制，我们将调通的发射接收程序合起来编成一个子程序s p i n i t 文件。这 样不管上层软件要使用串口接收还是发射的串口，只须将该文件加入相应 的工程文件中，同时设定预处理变量t x o r r x ，在程序初始化时调用这 1 8 电子科技大学硕士学位论文 个子程序即可。它的入口参数包括中断向量表的起始地址、发射和接收中 断服务程序的地址。由于都是汇编程序，且不复杂，因此参数传递不采用 堆栈方式，而是分别用辅助寄存器a r 5 、a r 6 、a r 7 传递。 该子程序先设立一个预处理变量t ) ( _ o r r x ，如果为1 ，则该子程序 完成串口发射的初始化，否则，完成串1 3 接收的初始化。整个程序的框架 如下： g l o b a lt x o r r x t e x t j ft x o r r x = i 在中断向量表对应发射中断( 实际是d m a 的中断，它同x x 共同占 用该中断向量) 的地方( 中断向量表的起始地址，l i p a r 5 + d m a 的中断号乘以4 ) 设置跳转指令( 0 x f 0 7 3 ) ，再将中断服务程序的 地址放在下一个字。 ) 按要求设置m c b s p 的相关寄存器 ) 设置d m a 的相关寄存器 ) r e t 返回+ ， e l s e 在中断向量表对应接收中断( 实际也是d m a 的中断，它n x x 共同 占用该中断向量) 的地方( 中断向量表的起始地址，i i p a r 5 + d m a 1 9 茎三兰! ! ! 盐塑丛堡竺堡旦一 的中断号乘以4 ) 设置跳转指令( o x f 0 7 3 ) ，再将中断服务程序的 地址放在下一个字。 ) 设置m c b s p 的相关寄存器 ) 设置d m a 的相关寄存器 ) r e t + 返回， ) e n d i f 2 3 可编程时钟发生器和定时器 5 4 x 系歹i j d s p 的时钟发生器，包括一个内部振荡器和一个锁相环。它可 以将频率较低的外部时钟源倍频到实际c p u i 作的时钟周期，这样可以减少 高频噪声。根据器件的不同，有两种锁相环电路。一是象c 5 4 1 ，c 5 4 2 ，c 5 4 3 ， c 5 4 5 ，以及c 5 4 6 等器件采用的硬件配置锁相环，二是其他c 5 4 系列器件，包 括我们使用的5 4 0 9 采取软件可编程方式配置的锁相环。这种方式通过设定 存储器映射寄存器c l k m d ，让器件工作在p l l 模式或d i v 模式。 在器件复位后，外部3 个管脚c l k m d 、c l k m d 2 、c l k m d 3 决定了c l k m d 的 值，表2 6 列出了复位后c l k m d 的值与c l k m d l 、c l k m d 2 、c l k m d 3 的关系。 如果c l k m d 设置不当，会导致d s p 工作不正常。因为d s p 在上电后运 行的引导程序( 即后面要提到b o o t l o a d e r ) 要访问较慢的外部 e e p r o m 或f l a s h ，所以一般将c l k m d 设置为较低的频率。当p c 进入到 用户程序的入口初始化时，再将c l k m d 设置为较高的工作频率。 电子科技大学硕士学位论文 表2 6c l k m d 与c l k m d x 管脚的关系 对c l k m d 的初始化必须按照t i 提供的标准例行程序进行。即： 1 )选中d i v 模式 2 )循环轮询c l k m d 的p l l s t a t u s 是否为0 ，即d i v 模式是否有 效。 3 )修改c l k m d 为所需的模式 后面我们给出的发射d s p 中产生g m s k 调制信号的例子中，要使用到 5 4 0 9 的定时器。它具有以下特点 通过三个寄存器进行软件编程产生周期性的中断 定时器的分辨率，即最小的定时单位，是处理器的c p u 时钟。 定时器的动态范围由一个1 6 1 ；l 特计数器和一个4 比特定时预置计 数器决定。 其功能可以由图2 7 说明 2 1 第二章d s p 片内外设的使用 图2 7定时器功能框图 图中涉及的寄存器说明见表2 7 ： 表2 7定时器的寄存器说明 另外图中涉及的p s c 和t d d r 是t c r 中的字段，t c r l 6 1 ： e 特，共分为7 个字段，它们的意义如下： 1 5 1 21 11 09 6543 0 图2 8 定时器控制寄存器的字域 电子科技大学硕士学位论文 表2 8 t i n t 的周期计算公式为： 定时器控制寄存器各字段的说明 1 t t 删e 2 i 面i 丽瓦面五 t i n t 的标记位是i f r 的第三位，中断向量是2 0 。 其中是c p u 的时钟周期。定时器的初始化步骤如下： 1 ) 将t c r 中的t s s 置为1 ，停止定时器 2 ) 按上面的计算公式，设置p r d 和t d d r 的值 3 ) 将t s s 置为o 并将t r b 设为1 ，启动定时器 这里结合定时器，：t 哿g m s k 调制中涉及的时钟处理的程序片断作为例子 说明。g m s k 的调制速率是1 3 m 4 8 = 2 7 0 8 3 3 k b i t s ，而每个b i t 要发8 个样值， 所以定时器中断是每i 3 m 6 = 2 1 6 6 7 m s a m s 。因为这里有个1 3 m 的因子，所以 d s p 的时钟源也是1 3 m 。5 4 0 9 可以工作到l o o m i p s ，所以倍频数为7 ，日p d s p 运 行在1 3 m * 7