（通信与信息系统专业论文）基于tms320c5402+dsp的数字音频系统的研究.pdf

摘要 儆。# 信号处理是伴随数值计算技术和计算机技术的发展而迅速发展起来的 新兴学科，特别是数字信号处理器( d s p ) 的出现，使其理论得以广泛应用于。实 际系统之中。因此，数字信号处理技术经问世，便吸引了许多领域研究者的关 注，j f ：l 二成为应剧最快、成效最显著的新学科之 。在众多的数字信号处理器产 t w l 。h t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 市场占有率最大，现已推出多代产品。其中 1 9 9 8 年推出的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列定点d s p ，以低功耗，性能价格比高等特点， 受到了广泛应用。 m p e g - i 是国际组织i s o i e c 批准的一种运动图像及其伴音的压缩编码标 准，该标准对音频信号规定了三个级别，即l a y e ri ，l a y e r i i ，l a y e ri l l 。l a y e ri i l 作为第三层( 简称m p 3 ) ，结合了a s p e c 和m u s i c a m 两种算法，并对层i 和层 l i 向下兼容。该算法的运算复杂度高，但可得到高达1 2 倍的压缩率。压缩后， 每声道码流速率为6 4 k b p s ，声音效果与c d 相近。因此非常适合在互联网上传 送，或存储于便携音频设备中。尸 本论文首先简要介绍了t l 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列d s p 。之后，详细叙述 了论文作者设计研制的一种基于d s p 的数字音频系统。该系统以t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 ( d s p ) 为中央处理器，可完成m p 3 音频数字信号的分析和处理，并通过串行 a d a 芯片实现对外界模拟音频信号的采集和发送。该系统配有大容量f l a s h 和硬盘，用于程序和音频数据的存储，1 2 8 k 字节高速r a m 作为数据缓冲区。 同时，通过u s b 控制芯片完成系统与p c 机之问的数据通信。系统中的大量控 制信号由片c p l d 产生，本文也对c p l d 的设计进行了描述。 论文对i s o i e c l l l 7 2 标准中的l a y e ri i i 音频算法和基本原理进行了介绍。 在对关键解压算法技术，如霍夫曼解码，反量化的快速算法进行深入研究的基础 ：，提出基于d s p 汇编语言的快速算法实现方案轻验证，陔系统可实现m p e g i l a y e ri i i 音频解码功能，并获得了良好的音乐质量。说明系统设计合理，算法实 、 现帚确。此外，该系统还可应用于a d p c m 、c e l p 等其它音频解压缩算j 麦。广弋，“一 天键训：数字信号处理2 y ( d s p ) ，m p e g y 数字音频系反一霍夫曼解6 丑v a b s t r a c t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi s an e w s u b j e c tt h a ti m p r o v e sq u i c k l yt o g e t h e rw i t h n u m e r i c a lc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y e s p e c i a l l yw i t ha p p e a r a n c e o fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，i t st h e o r yi s a p p l i e dw i d e l yt op r a c t i c a ls y s t e m s t h u sa st e c h n o l o g yo fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g c a n l eo u t ，i t a p p e a l s t oal o to f r e s e a r c h e r sf r o mm a n y f i e l d s ，a n dh a sb e c o m eo n eo fn e ws u b j e c t st h a td e v e l o pm o s t q u i c k l y a n dh a v e o u t s t a n d i n ga c h i e v e m e n t s a m o n ga l l k i n d so fd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n gd e v i c e s ，t m s 3 2 0d s p s e r i e sm a d e b yt e x a si n s t r u m e n ta c c o u n t sf o rt h e m a j o r i t y o fm a r k e t e s p e c i a l l y ，t m s 3 2 0 c 5 4 xs e r i e sf i x e d p o i n t d s p , w h i c hw a s p r o d u c e d i n 1 9 9 8 ，i s a p p l i e dw i d e l y b e c a u s eo fi t sl o w c o s ta n d h i g h p e r f o r m a n c e p r i c e r a t i oa n ds oo n m p e g - 1i st h es t a n d a r d “c o d i n go fm o v i n gp i c t u r e sa n da s s o c i a t e da u d i of o r d i g i t a ls t o r a g e m e d i au pt oa b o u t1 5 m b i t s t h a ti s f i n a l i z e d b y i n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o ni s o i e c t h es t a n d a r do na u d i oi n c l u d e st h r e el a y e r s ，i e l a y e ri 、l a y e r 1 i 、l a y e r i i i a st h et h i r dl a y e r , l a y e r i i i ( c a l l e dm p 3 ) c o m e sf r o mt h ea s s o c i a t i o no f a s p e c a l g o r i t h ma n dm u s i c a ma l g o r i t h m ，a n di sc o m p a t i b l ew i t hl a y e ri 、l a y e ri i t h i sa l g o r i t h mh a s v e r yh i g hc o m p l e x i t y , h o w e v e r , a l s oh a sh i g hc o m p r e s s i o nr a t i ou p t o1 2 a t i e rc o m p r e s s e d ，l a y e ri i ic a no f f e rt h eb e s ta u d i os u i t ，p a r t i c u l a r l yf o rb i t r a t e sa r o u n d6 4 k b p s p e rc h a n n e l t h i sl a y e rs u i t sa u d i ot r a n s m i s s i o no v e ri n t e m e to r s t o r a g ei na u d i o d e v i c e s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h et i t m s 3 2 0 c 5 4 xd s ps e r i e s t h e ni tc o n c e n t r a t e so n h o wt o d e s i g nad i g i t a l a u d i os y s t e mb a s e do nd s et h i ss y s t e mc a na c c o m p l i s h a n a l y s i s a n dp r o c e s s i n go fm p 3a u d i o d i g i t a ls i g n a l s a sw e l la s s a m p l i n ga n d t r a n s m i t t i n ge x t e r n a la n a l o ga u d i os i g n a l s i ta l s oi n c l u d e sf l a s ha n dh a r dd i s kt os t o r e p r o g r a m s a n d d a t a ，12 8 k b y t er a ma s d a t a b u f f e r , u s bc o n t r o l l e r t or e a l i z e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s y s t e ma n d p c a l lc o n t r o ls i g n a l sa r eg e n e r a t e d b y ac p l d t h i sp a p e rg i v e sab r i e fe x p l a n a t i o no f p r i n c i p l ea n da l g o r i t h mo fl a y e ri i ii n i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i s o i e c l l l 7 2 e s p e c i a l l yg i v e m o r ed e t a i l e d e x p l a n a t i o n a b o u tt h ek e yt e c h n i q u e s ，s u c ha sh u t 孙a nd e c o d i n ga n dr e q u a n t i z e ，a n d b r i n g f o r w a r dt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m e sa b o u tt h e ma c c o r d i n gt od s p a s s e m b l yl a n g u a g e o t h e r w i s e ，t h i ss y s t e mi sa l s oa p p l i e dt oo t h e ra u d i oa l g o r i t h m ss u c ha sa d p c m 、 c e i p a n ds oo n k e yw o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，m p e o ，d i g i t a la u d i os y s t e m ，h u f f m a nd e c o d i n g 竺二墨丝| _ 堡一 叁鲨叁兰! 塑! ：堡苎 1 1 概述 第一章绪论 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是一门新兴的高科技技术，它以数 字计算机和算法为基础，广泛应用于雷达、语音、通信、图像处理、生物医学仪 器、水利，地震预测等方面。虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在y - 期由于 实现方法的限制，数字信号处理的理论还无法“泛地应用。8 0 年代仞，随着微 电f 技术的发展，尤其是数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的出现， 大大提高了数字信号处理理论实时实现和应用的可能性，彻底改变了信号处理的 面貌，为数字信号处理的实际应用开辟了一条简便而高效的途径。 1 2 d s p 芯片的发展 d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了实现数字信号处理的需要， d s p 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构，流水线操作功能，特殊的硬件 乘法器，一套适合数字信号处理的指令集和快速的指令周期等。 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。 这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，同本 n e c 公司推出的l ap d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片，以及美国德 州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 推出的t m s 3 2 0 1 0 系列d s p 产品等。 当时这些数字信号处理器件对数字信号的处理速度比较慢，只能处理包含较低信 息量的信号，而且成本较高。 自1 9 8 0 年以来，由于集成电路制作技术和数字信号处理理论的不断发展， 也促进了d s p 器件突飞猛进地发展。使d s p 器件的性能不断提高，成本不断下 降，可以做到以低成本实现对宽带信号的大量数据的数字处理，从而使d s p 芯片 的应用越来越广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经 从2 0 世纪8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到1 0 n s 以下，处理能力提高 了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模片区( d i ea r e a ) 的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上。从制造工艺 来看，1 9 8 0 年采用了4 m 1 的n 沟道m o s ( n m o s ) 工艺，而现在则普遍采用 、i f 微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增 加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存 储器的扩展和处理器问的通信等。此外，d s p 芯片的发展使d s p 系统的成本、 第一帝绪论 灭冲人学坝i 论卫 体积、重量和功耗都有很大程度的下降。 总的说米，第一代d s p 主要采用单c p u 、双总线结构；第代d s p 采用多 c p u 、多存贮体、双总线结构，提高了并行流水处理功能：第j 代具有更加完善 的c p u 、多存贮体结构，能保证中央处理器高效率完成乘法累加功能，而其它 数据则由别的处理器并行操作完成；第四代d s p 由于超大规模集成度的允许， 多c p u 、多存贮体、多总线的高并行流水处理结构成了芯片的主要结构。当今， 主要的d s p 制造商有a d 、a t & t 、m o t o r o l a 、f u j i t s u 、h i t a c h i 、z n 0 8 、a m i 、 t e x a si n s t r u m e n t s 等公司。 第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s p 芯片的是日本的h i t a c h i 公司，它于 1 9 8 2 年推出了浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年日本f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指 令周期为1 2 0 n s ，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。 而第一个高性能浮点d s p 芯片应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。 与其他公司相比，m o t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对较晚。1 9 8 6 年， 陔公司推出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的 浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，简称a d ) 在d s p 芯片市场上也占有 定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其浮点d s p 芯片有 a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 。定点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 1 ，2 1 0 3 2 1 0 5 、 a s d p 2 1 1 1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 1 1 2 1 6 2 2 1 6 4 以及a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 等【2 引。 在所有这些公司中，以t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 最为成功。自1 9 8 2 年 t i 成功推出其第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m $ 3 2 0 1 1 、 t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 以来，相继推出了第二代d s p 芯片t m $ 3 2 0 2 0 、 t m s 3 2 0 c 2 5 ，c 2 6 ，c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 ，c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯 片t m s 3 2 0 c 4 0 ，c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 ) ( c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的 改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片t m $ 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。t l 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 ) c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列 ( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如今，t i 公司的一系列d s p 产品已经成为当今世界上 最有影响的d s p 芯片。t i 公司也成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 1 3m p e g 一1 音频压缩编码 音频i i 缩编码可分为语音信号的压缩编码和宽带音频信号的压缩编码。前者 羔王堕堡一墨堡叁兰竺! ：堡兰 为卢码器，主要用于数字电话通信上；后者包括对各种音乐节目信号的处理，要 求达到c d 的音质，主要应用于数字广播、数字视盘、高清晰度电视的伴音等方 面。m p e g l 音频标准属于宽带音频信号压缩编码，它由国际组织i s o i e c 组建 的m p e g ( 活动图像专家组) 所制定的，一个以心理声学模型为基础的子带数据 m 缩编码系统。其中的第1 i i 层是a s p e c 算法结合m u s i c a m 算法，并对层次 1 、1 1 向下兼容的类算法。m p e g 音频部分规定音频信号采样率可以是3 2 k h z 、 4 4l k h z 、4 8 k h z 。压缩后的比特流支持单声道或双声道，并支持多种比特率。 1 4 论文的主要工作与结构 本论文的主要工作是基于t i 的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 数字信号处理器的数字音频信 号处理的硬件平台的研制，并在其上实现m p e g 1a u d i ol a y e ri i i 解码算法。 论文主要完成的工作： 1 深入了解和掌握t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的数据手册，尤其对t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 特有 的m c b s p s 进行了研究。熟悉d s p 汇编指令，掌握软件开发环境。 2 设计数字音频系统结构。在掌握f l a s h 、r a m 、c p l d 、u s b 控制器、 运算放大器等芯片的基础上，完成系统电路设计。 3 结合d s p 的特点，编写m p e g 1a u d i o l a y e ri i i 解码器程序，对算法中运 算量大，复杂度高的关键技术进行了具体的阐述，并提出优化解决方案和 验证结果。 4 对程序调试阶段出现的一些具体问题和解决方法进行了阐述。 本论文分五章。第一章简要描述了数字信号处理器的历史和现况。对本课题 的任务和工作进行了介绍。 第二章全面介绍了t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列定点数字信号处理器( 以下 简称d s p ) 。 第三章介绍t m s 3 2 0 c 5 4 c 5 4 0 2 的数字音频系统的电路设计方案。重点介绍 了d s p 与a d a 、外部存储器、u s b 接口控制器等外围器件问的接口，及应用 c p l d 产生控制信号的电路设计。 第四章简要介绍了m p e g 1a u d i ol a y e ri l i 算法的基本原理。根据d s p 的特 点，对解码中的霍夫曼解码，反量化的快速算法提出了优化方案，并给出验证结 果。另外还介绍了d s p 编程中要注意的问题，及论文作者在软件调试中的一些 经验。 笙二垦! 竺! ! ! o c 5 4 x 定点d s p 介蝌二f # 人学坝i 论史 第一：章t m s 3 2 0 c 5 4 x 定点d s p 介绍 2 1t m $ 3 2 0 c 5 4 x 概述 美国t i 公司的d s p 产量最大，约占全世界d s p 器件总产量的5 0 ，品种 也最多。t m s 3 2 0 系列由定点型、浮点型和多处理器型数字信号处理器( d s p ) 组成。t m s 3 2 0 的结构是为实现信号的实时处理而专门设计的。以下特性使该系 列器件成为各应用领域的理想选择： l 灵活的指令系统 2 固有的操作灵活性 3 较高的执行速度 4 改进的并行结构 5 合理的性能价格比 6 友好的c 语言结构 其中，t m s 3 2 0 c 5 4 x 是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点d s p 芯片， 其主要应用是无线通信系统、个人数字助理、图像处理、语音处理、航空航海应 用，全球导航定位，导弹制导、消费产品等方面。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 的主要特点包括【2 5 】： 1 运算速度快。指令周期为2 5 2 0 1 5 1 2 5 1 0 n s ，运算能力为4 0 5 0 6 6 8 0 1 0 0 m i p s 。 2 优化的c p u 结构。内部有1 个4 0 位的算术逻辑单元，2 个4 0 位的累加 器，2 个4 0 位加法器，1 个1 7 1 7 的乘法器和1 个4 0 位的桶形移位器， 执行非流水的单周期乘法累加运算( m a c ) 。先进的多总线结构，包括一 个程序总线，三个数据总线，四个地址总线。此外，内部还集成了维特比 加速器，用于提高维特比编译码的速度。先进的d s p 结构可高效地实现 无线通信系统中的各种功能，如用t m s 3 2 0 c 5 4 x 实现全速率的g s m 需 1 2 7m i p s ，实现半速率g s m 需2 6 2m i p s ，而实现全速率g s m 语音编 码器仅需2 3m i p s ，实现i s 5 4 1 3 6v s e l p 语音编码仅需1 2 8m i p s ； 3 低功耗方式。t m s 3 2 0 c 5 4 x 可以在3 3 v 或2 7 v 电压下工作，三个低功 耗方式( i d l e i 、i d l e 2 和i d l e 3 ) 可以节省d s p 的功耗，使t m s 3 2 0 c 5 4 x 特别适合于小型移动电器中。用t m s 3 2 0 c 5 4 x 实现i s 一5 4 1 3 6v s e l p 语 第一帝t m s 3 2 0 c 5 4 x 定点d s p 介蜊 音编码仪需3 i 1 m w ，实现g s m 语音编码器仪需56 m w ： 4 智能外设。除了标准的串行口和时分复用( t d m ) 串行口外，t m s 3 2 0 c 5 4 x 还提供了自动缓冲串行口b s p ( a u t o b u f f e r e ds e r i a lp o r t ) 和与外部处理 器通信的h p i ( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) 接口。b s p 可提供2 k 字数据缓冲的 读写能力，从而降低处理器的额外开销，指令周期为2 0 n s 时，b s p 的最 大数据吞吐量为5 0 mb i f f s ，即使在i d l e 方式下，b s p 也可以全速工作。 h p i 可以与外部标准的微处理器直接接口。 2 2t m s 3 2 0 c 5 4 x 硬件体系结构i l i 图2 1t m s 3 2 0 c 5 4 x 的内部硬件框图 t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列d s p 采用了改进的哈佛结构，浚结构有8 条总线，使数 掘处理能力达到了最大限度。通过程序、数据空怕j 的分离，可同时进行程序指令 笙二! ! 翌! ! ! ! ! ! 生塞皇2 竺坌塑 墨堡叁堂堡! 堡兰 和数据的存取，提供了高度的并行性。此外，数据还可以在数据，毫问和程序空问 之i 、日j 进行传送。这种并行性还支持一系列功能强劲的算术逻辑及位操作运算，所 有这些运算都可在单个机器周期内完成。同时，c 5 4 x 还有包括中断管理、重复 操作及功能调用等内在的控制机制。图2 一l 给出了c 5 4 x 的内部硬件框图，其 【 】包括外设模块及总线结构。 2 2 1 总线结构 c 5 4 xd s p 采用改进的哈佛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，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储 器。每个存储器独立存在，独立访问，因此取指和执行能在同一时间运行。与两 个存储器相对应的是系统中设置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。 c 5 4 x 结构是建立在8 条1 6 位的总线上的。这8 条总线包括4 条程序数据 总线和4 条地址总线。它们的作用是： 1 程序总线( p b ) 传送从程序存储器取出指令操作码及立即数。 2 三条数据总线( c b 、d b 和e b ) 与不同的单元相连，如c p u 、数据地址 发生逻辑、程序地址发生逻辑、片内外围部件及数据存储器等。其中： ( 1 ) c b 总线和d b 总线传送从数据存储器读出的数据 ( 2 ) e b 总线传送被写入存储器的数据 3 四条地址总线( p a b ，c a b ，d a b ，e a b ) 传送执行指令所需地址。 c 5 4 x 利用辅助寄存器算术单元( a r a u o 和a r a u l ) 可在每个周期产生两 个数据存储器地址。 p b 总线可将程序空间的操作数( 如系数表) 送至乘法器a n 法器，进行乘法 累加操作，或送至数据空间的目的地址以执行数据移动指令( m v p d 和 r e a d a ) 。这一特性与每个机器周期可寻址两次的存储器一双操作r a m ( d u a l a c c e s sr a m ，d a r a m ) 相结合，支持单周期、3 操作数指令的执行。如f i r s 指 令等。 c 5 4 x 还提供与片内外围器件通讯的片内双向总线，该总线通过c p u 接口内 的总线交换器与d b 总线和e b 总线相连。利用这一总线访问需2 个或更多的周 期，具体视外围器件的结构而定。表2 1 概括了不同访问方式使用总线的情况。 第一章t m s 3 2 0 c 5 4 x 定点d s p 介绍天津人学帧| j 论义 讪问类州地自t 总线数据总线 p a bc a bd a be a bp bc bd be b 读程序 写程序 读单数据 渎烈数据 滇长数据( 3 2 化) q 单数据 读数据弓数据 读舣数据读系数 读外嗣设备 写外围设备 表2 1 读写访问中的总线使用 2 2 2 内部存储器组织 c 5 4 x 的内部存储器可分为三个独立的空间：程序、数据和i o 空间。所有的 c 5 4 x 器件都有随机存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 。在这蝗器件中有两 类r a m ：双操作r a m ( d a r a m ) 和单操作r a m ( s a r a m ) 。表2 2 所列为 t m s 3 2 0 c 5 4 x 器件的程序存储器和数据存储器的配置情况。c 5 4 x 还有2 6 个c p u 寄存器和外设寄存器，它们映射在数据储存空间。 m e m o w 5 4 15 4 25 4 3 5 4 55 4 65 4 85 4 95 4 0 25 4 1 05 4 2 0 p r o g r a m2 0 k 2 k2 k3 2 k3 2 k2 k1 6 k4 k1 6 k 0 d a r a m t5 k1 0 1 (1 0 k 6 k6 k8 k8 k s a r a m o0 ooq2 4 k2 4 ko鼹k、6 8 k 表2 - - 2t m s 3 2 0 c 5 4 x 器件的程序存储器和数据存储器 2 2 2 1 片内r o m 片内r o m 是程序存储器空间的一部分，有时也可作数掘宅问的一部分。各 类器件的片内r o m 容量不同，如表2 2 所列。 撒净i ；嗲= 辩 瓤。眯 筇一帝t m s 3 2 0 c 5 4 x 定点d s i ，介? “凡湾人学顺i 论文 对于含少量r o m 的器件( 如c 5 4 0 2 ) ，其r o m 含个引导装入程序，可将 仃十：外部存储器- 1 ，的干l i 序，装入片内或片外的快速r a m - 九使利序高速运行。 对于含大量r o m 的器件，部分r o m 可划分为数据及程序空问。较大的r o m 属于通用的r o m ，只需以目标文件格式给出编入r o m 的代码和数掘，然后t i 公司就将提供合适的处理和掩膜以固化r o m 程序。 2 2 2 2 片内双操作r a m ( d a r a m ) d a r a m 由几个块组成。因为各d a r a m 块在每个机器周期可被访问两次， 所以c p u 、外设( 如b s p ) 等可在一个周期内对一d a r a m 地址同时进行读和 写操作。d a r a m 通常被映射到数据空间，且主要用于存储数据值。有时也可映 射到程序空问，用于存储程序代码。 2 2 2 3 片内单操作r a m ( s a r a m ) s a r a m 也是由几个块组成。一个s a r a m 块在每个机器周期只可被访问一 次，进行读或写操作。s a r a m 通常被映射到数据空阳j ，且主要用于存储数据值。 有时也可被映射为程序空间，用于存储程序代码。 2 2 2 4 片内存储器的安全 c 5 4 x 可掩膜的存储器安全选项用于保护片内存储器的内容。当指定该选项 时，来源于外部的指令无法访问该部分存储空间。 2 2 2 5 存储器映射寄存器 数据存储空间包含着c p u 及片内外设的存储映射寄存器。这些寄存器位于 0 数据页，访问非常方便。存储器映射的方法为在上下文切换时存取寄存器内容 以及累加器与其他寄存器间的信息传送提供了方便。 2 3 中央处理单元( c p u ) 所有的c 5 4 x 器件的c p u 都相同。c 5 4 x 的c p u 包括： 1 4 0 位的算术逻辑单元( a l u ) ： 2 2 个4 0 位的累加器； 3 定标移位器； 4 1 7 1 7 位乘法器； 5 4 0 位加法器： 6 比较选择存储单7 j ( c s s u ) ； 兰! 二尊 im s 3 2 0 c 5 4 x 定点d s p 介耋f 天津人r # 坝i 论文 7 数据地址发生单元： 8 程序地址发生单元： 23l 算术逻辑单元( a l u ) c 5 4 x 叮通过一个4 0 位算术逻辑单元( a l u ) 和两个4 0 位累加器( 累加器 a 和b ) 执行二进制补码数学运算，a l u 也可执行伟尔运算。a l u 使用如下输 入： l1 6 位立即数； 2 来自数据存储器的1 6 位字； 3 来自1 6 位暂存寄存器t 的1 6 位字： 4 来自数据存储器的两个1 6 位字： 5 来自数据存储器的3 2 位字； 6 来自累加器a 或b 的4 0 位字： a l u 也可同时作为2 个1 6 位a l u ，执行两个1 6 位操作。 2 3 2 累加器 累加器a 和b ( 见图2 一1 ) 用于存储a l u 或乘法器，力口法器块的输出。它们 也可提供a l u 的另一个输入，累加器a 可作为乘法器，力口法器的输入。每个累加 器分为三部分： 1 安全字( 3 9 3 2 位) ； 2 高位字( 3 1 1 6 位) ： 3 低位字( 1 5 0 位) ； 系统提供了如下有关指令：存储安全位、在数据存储器内存储累加器的高位 字和低位字、累加器向数据存储器读出或写入3 2 位字。此外，一个累加器可作 为另一个累加器的暂存寄存器。 2 3 3 定标移位器 c 5 4 x 的定标移位器有一个与累加器或数据存储器相连的( 通过c b 或d b ) 4 0 位输入，和一个与累加器或数据存储器相连的( 通过e b ) 输出。定标移位器 呵对数据进行o 3 1 位左移和o 1 6 位的右移。移动位数由指令中移位计数字段 确定，即状态寄存器s t l 的移位计数字段( a s m ) 或暂存寄存器t ( 当其被指 o 坠里! 竺翌! ! ! ! ：! ：生：! ：! ! ! ! ! = 坌型 垒鲨叁：兰! ! ! ! ! ! 堡! 定为移位计数寄存器) 。 定标移位器和指数译码器可在单周期内完成对累加器中的数据的p j 一化。输 出数据的低位出0 填充，高位可以是零或符号扩展，这要由s t i 中的符号扩展 模式位( s x m ) 的状态决定。附加的移位能力使处理器可进行数字定标、位提 取、扩展计算及防止溢出操作。 2 3 4 乘法肋日法器 乘法肋口法器可在一个单指令周期进行1 7 1 7 位二进制乘法运算和一次4 0 位加法，乘法肋口法器包括以下几部分：一个乘法器、一个加法器、符号无符号 输入控制逻辑、零值检测器、取整器、溢出饱和逻辑和1 6 位暂存寄存器( t ) 。 乘法器有两个输入：一个从t 寄存器、数据存储操作码或累加器a 中选择：另 一个从程序存储器、数据存储器、累d n i , la 或立即数中选择。 这一快速的片内乘法器可高效实现卷积、滤波、相关等操作。此外乘法器和 a l u 在单周期内可共同执行乘法累加( m a c ) 计算，此时a l u 操作是并行的。 这一功能用于像欧氏( e u c l i d i a n ) 距离的计算和l m s 滤波器实现等复杂的数字 信号处理算法。 2 3 5 比较选择存储单元c s s u c s s u 可对累加器的高位字和低位字进行比较，使状态寄存器s t 0 中的测试 ，控制标志位( t c ) 和转移寄存器t r n 保持传送记录历史，并选取累加器中最大 的数送至数据存储器中。通过优化的片内硬件，c s s u 也可；b i i 速v i t e r b i 蝶形运算。 2 4 数掘寻址 c 5 4 x 提供了7 种基本的寻址方式： 1 立即寻址：指令本身给出操作数，指令中可包含有两种类型的值： ( 1 ) 长度为3 位、4 位、8 位或9 位的短立即数； ( 2 ) 长度为1 6 位的立即数； 2 绝对寻址：指令中给出操作数的地址，有4 种绝对寻址的指令： ( 1 ) 数据存储器寻址； ( 2 ) 程序存储器寻址： ( 3 ) i o 口( p a ) 寻址： ( 4 ) + ( 1 k ) 寻址，可用于所有的支持单数据操作数的指令； o 塑! 坠j $ 3 2 0 c 5 4 x 定点d s ! ，舟绍人汁人学坝j 论上 3 累加器寻址：以累加器a 的内容作为程序存储单元【 1 操作数的地址； 重直接寻址：指令的低7 位译码为地址的低7 位( d m a ) 。这低7 位与数据页 指针( d p ) 或栈指针( s p ) 共同确定操作数实际存储器的地址。s t i 寄存 器中的c p l 位用j 二选择山d p 还是d js p 束j 一：7 卜地址： c p l - 一0 ，d m a 与d p 中的9 位字段形成1 6 位数据存储器地址： c p l = - l ，d m a 作为一个f 数与s p 相加形成1 6 位的数据存储器地址： 5 问接寻址：利用辅助寄存器内容作为操作数的地址； 6 存储映射寄存器寻址：利用存储映射寄存器寻址，但不修改当前的d p 值 或s p 值： 7 栈寻址：用于系统堆栈操作。 当采用直接、问接、存储映射寄存器寻址执行指令时，由数据地址发生逻辑 ( d a g e n ) 计算出数据存储器中操作数的地址。 2 5 程序寻址 c 5 4 x 器件中程序存储器的寻址通常要利用指令计数器( p c ) 。然而，有些指 令中可使用绝对寻址来读取程序存储器中的常数。 用于单独指令寻址的p c ，它的值由程序地址发生逻辑( p a g e n ) 装入。典 型情况下，当获取连续指令时，p a g e n 递增p c 值。但在执行某些指令或操作 时，p a g e n 可能向p c 内装入非连续值。那些引起非连续值的操作包括：转移、 函数调用、返回、条件操作、重复单独指令、，重复乘法指令、复位和中断等。 当进行子程序调用或中断时，当前的p c 值被压入堆栈，栈顶由栈指针( s p ) 指 示。当子程序调用或中断服务结束，先前入栈的p c 值通过返回指令从栈中送回。 2 6 流水线操作 d s p 芯片普遍采用流水线以减少指令执行时间。t m s 3 2 0 系列d s p 的流水 线深度为2 6 级不等。其中，c 5 4 x 有6 级流水线，分别完成：预取，取指令， 译码，访问，读数据，执行。在每一阶段，执行一个独立的操作。因为这些操作 相互独立，所以同一周期内可有一到六条指令同时执行，每一指令处于不同的阶 段。在通常情况下，流水线上充满了一系列指令，它们处于不同的操作阶段。当 p c 内容发生跳转，如当转移，函数调用或返回时，一个或多个流水线的阶段可 能暂时不用。流水线对用户是透明的，但在汇编语苦编程过程中，某些语句会造 成流水线冲突，致使程序发生错误。在第4 章中，论文作者将结合实例，对流水 线冲突给予详细阐述，并提出相关建议。 垫一二! 己三竺兰薹竺兰燮! ! ! 坌塑 墨! ! 叁兰塑l ：堕皇 2 7 片内外砹 所有c 5 4 x 器件的c p u 相同，但与c p u 相连的外设小川。c 5 4 x 自- 以卜片内 配置选项。 2 7 1 通用i o 引脚( 百而和x f ) 每个c 5 4 x 器件有两个通用i 0 引脚：b i o 和x f 。b i o 是用于监视外围器 件状态的输入引脚。尤其是当f 执行时问关键性循环时，一一些条件执行指令( 如 x c ，b c ) 将采样百面。 x f 是一个可用软件控制的输出引脚，用于向外发出信号。可以通过置位s t i 寄存器中的x f 位，驱动x f 管脚为高电平，反之为低电平。 2 7 2 定时器 片内定时器是软件可编程的，它有3 个寄存器( 见表2 - - 3 ) ，可用于周期性地 产生中断。每过一个c l k o u t 周期，定时器减1 。每次递减至0 时产生时钟中 断。通过设置专用的状态位，可使定时器停止计数，重新计数，复位或停止工作。 定时器的分辨率为器件的时钟输出c l k o u t 速率，动态范围为2 0 位。其中， c 5 4 0 2 有两个定时器。 。= 一-i l m e r l t i m e r0a d d r e s s a d d r e s s ( 5 4 0 2o n l y ) r e g i s t e r d e s c r i p t i o n 0 0 2 4 h0 0 3 0 h t i mt i m e r r e g i s t e r 0 0 2 5 h 0 0 3 1hp r d t i m e r p e r i o dr e g i s t e r 0 0 2 6 h0 0 3 2 h t c 融；l 渤9 rc e n t r er e g i s t e r 表2 3 定时器寄存器 2 7 3 时钟发生器 时钟发生器允许设计者选择两种时钟源 1 晶体振荡器。在引脚x l 和x 2 c l k i n 接一个晶体，内部振荡器就可以工 作。 2 外部时钟。外部时钟直接从x 2 c l k i