（电路与系统专业论文）基于TMS320C6722B浮点DSP实验系统固件与实验设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：d s p 技术是2 1 世纪运用最广泛的技术之一，掌握d s p 的开发和应用在嵌入 式领域显得越来越重要。目前高校的d s p 课程和对应的实验系统相对于快速发展 d s p 芯片来说还是落后的。针对这一问题，本文研究了基于t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 浮点 d s p 处理器实验系统固件设计，目的是为学生在d s p 技术方面提高实际动手能力 提供先进的实验平台。 本文在对固件系统设计各环节进行深入研究的基础上，结合d s p 和a r m 处理 器的特性，设计了此系统。系统采用t i 公司的浮点d s p 处理器t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 作为实验平台的主处理器，负责数据处理，选用以c o r t e x m 3 为内核的a r m 处理 器s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 作为系统的控制处理器，用来控制系统的操作、显示、上位 机通信等模块，同时用a t m e l 公司的a t f l 5 0 8 a s 担负系统的逻辑控制和地址分 配功能。 本文重点工作是对系统中控制模块的固件设计。其中包括了操作、显示、异步 串口通信、双口r a m 、s d 卡存储和u s b 的固件模块的设计，另外设计了针对数 字信号处理的相关实验和算法实验。 此实验系统具有强大的数据处理能力和控制功能，其丰富的外围器件配置资 源，为系统的扩展和将来的系统升级提供了广阔的空间；其多样化的实验设计， 充分的体现了浮点d s p 和c o r t e x m 3a r m 处理器的特点，达到让学生们更全面深 入的理解和掌握数字信号处理知识的目的。此实验系统可作为实时d s p 技术及浮 点处理器应用的教学实验系统，也可以作为相关课题的研究平台。 关键词：d s p ；a r m ；教学实验；固件系统 分类号：t n 9 1 1 7 2 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nt h e21s tc e n t u r y , d s pt e c h n o l o g yi st h em o s tw i d e l yu s e d t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd s p , b e c o m e si n c r e a s i n g l ym o r ei m p o r t a n ti nt h ea r e a o fe m b e d d e d a tp r e s e n t ，t h ed s pc o l l e g ec o u r s e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a l s y s t e mi ss t i l ll a g g i n gb e h i n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fd s pc h i p s t h e r e f o r e ，t h i st h e s i s f o c u so i lt h ef i r m w a r ed e s i g no nt h ef l o a t i n g - p o i n td s pp r o c e s s o rt m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，a na d v a n c e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r m i s p r o v i d e dt oi m p r o v e s t u d e n t sp r a c t i c a la b i l i t yi nd s pt e c h n o l o g y f i r m w a r es y s t e md e s i g ni sb a s e do ni n - d e p t hs t u d yo fv a r i o u sl i n k sa n dc o m b i n e d t h ed s pa n da r m p r o c e s s o rf e a t u r e s t i sf l o a t i n gp o i n td s pp r o c e s s o rt m s 3 2 0 c 6 7 2 2 i su s e da st h eh o s tp r o c e s s o ro ft h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rd a t ap r o c e s s i n g , s e l e c t s t h ec o r t e x - m 3c o r ea r mp r o c e s s o rs t m 3 2 f10 3 z e t 6t oc o n t r o lt h em o d u l e so f o p e r a t i o n ，d i s p l a y , p cc o m m u n i c a t i o na n ds oo n i na d d i t i o n ，a t m e la t f 15 0 8 a si s d e s i g n e da sl o g i cc o n t r o la n d a d d r e s sd i s t r i b u t i o n t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ec o n t r o lm o d u l e sf i r m w a r ed e s i g n d e s i g n e dt h e 伍v l n w a r em o d u l eo fo p e r a t i o n ，d i s p l a y , a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n s ，d u a l p o r t r a m ，s dc a r ds t o r a g ea n du s b ，i na d d i t i o n ，d e s i g n e dt h er e l e v a n te x p e r i m e n ta n d a l g o r i t h m se x p e r i m e n tf o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h i se x p e r i m e n t a ls y s t e mh a s p o w e r f u ld a t a - p r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dc o n t r o l f u n c t i o n s ，i t sr i c hp e r i p h e r a ld e v i c ep r o v i d e sab r o a ds p a c ef o rs y s t e me x p a n s i o na n d u p g r a d e si n t h ef u t u r e i t sv a r i e t ye x p e r i m e n tf u l le m b o d yt h ef e a t u r e so ft h e f l o a t i n g - p o i n td s pa n dc o r t e x m 3a r mp r o c e s s o r , s t u d e n t sw i l lu n d e r s t a n da n dg r a s p m o r ec o m p r e h e n s i v ea n di n d e p t hk n o w l e d g eo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h i ss y s t e m c a nb eu s e da st h et e a c h i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mi nr e a l t i m ef l o a t i n g - p o i n td s p p r o c e s s o rt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o n ，a n dc a nb eu s e da sr e l a t e ds u b j e c t s r e s e a r c h p l a t f o r m k e y w o r d s ：d s p ；a r m ；t e a c h i n ge x p e r i m e n t ；f i r m w a r es y s t e m c l a s s n o ：t n 9 1 1 7 2 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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了谢意。 学位论文作者签名：漏彘七霭 签字同期：协呵年月) 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：刁年 导师签名： 签字日期：2 口吵年月夕调 一留 瓦欠 己吵 月 ，参 致谢 本论文的工作是在我的导师杜普选副教授的悉心指导下完成的，杜普选副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来杜老师对我的关心和指导。 杜普选副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向杜普选老师表示衷心的谢意。 杜普选副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在我就读研究生期间，闻跃老师、马庆龙老师也都给予了我悉心的指导和无 微不至的关怀，经常不厌其烦的为我解答问题。在此，我向他们表示诚挚的感谢 和敬意! 在实验室工作及撰写论文期间，张琳娟、王雪丽、李博、肖春梅等同学对我 论文中的固件系统的设计和研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激 之情。 另外也感谢父母和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 匕。 1 绪论 1 1d s p 技术应用与发展 1 1 1d s p 技术介绍 d s p ( 数字信号处理d i g i t ms i g n a lp r o c e s s i n g ) 是一门涉及许多学科而又广泛 应用于许多领域的新兴学科。在通常的实时信号处理中，它具有可程控、可预见 性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大规模集 成等优点，这都是模拟系统所不及的。 l 、d s p 系统构成 数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备，在模拟信号变换成数字信号 以后，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高 速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的c p u 还快1 0 - - - 5 0 倍。 图1 i 典型d s p 系统 f i g u r e1 1t y p i c a ld s ps y s t e m 典型的d s p 系统如上图1 1 所示。输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后 进行a d 变换将信号变换成数字比特流。d s p 芯片的输入是a d 变换后得到的以 抽样形式表示的数字信号，d s p 芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如 进行一系列的乘累加操作( m a c ) 。最后，经过处理后的数字样值再经d a 变换 转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。必须指 出的足，上面给出的d s p 系统模型是一个典型模型，但并不是所有的d s p 系统都 必须具有模型中的所有部件。 2 、d s p 系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点： 1 ) 接口和编程方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都 是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口 容易得多；另外，d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵活 方便地对软件进行修改和升级。 2 ) 稳定性和可重复性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度、湿度、 噪声、电磁场的干扰和影响较小，可靠性高；数字系统的性能基本不受元器件参 数性能变化的影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 3 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 5 的精度，3 2 位数字系统可以达到 2 1 0 。1 0 的精度。 4 ) 特殊应用。有些应用只有数字系统才能实现，例如信息无失真压缩、v 型 滤波器、线性相位滤波器等等。 5 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。当 然，数字信号处理在高频信号处理上也存在一定的缺点。d s p 系统中的高速时钟 可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消耗的功率也较大。 1 1 2d s p 发展与应用 1 、d s p 发展的三个阶段 在数字信号处理技术发展的初期( 二十世纪5 0 - - 6 0 年代) ，人们只能在微处 理器上完成数字信号的处理。直到7 0 年代，才有人提出了d s p 的理论和算法基础。 一般认为，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 ， 而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 则是d s p 芯片的一个主要里 程碑。但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， 日本n e c 公司推出的m pd 7 7 2 0 是第一个具有硬件乘法器的商用d s p 芯片，从 而被认为是第一块单片d s p 器件。 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年美国德州仪器公司推出世界上第一 代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品，标志着实时数字信号处理领域的重大突破。 t i 公司之后不久相继推出了第二代d s p 芯片t m s 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 。9 0 年代d s p 发展最快，t i 公司相继推出 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 x 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 s 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。 随着c m o s 技术的进步与发展，f l 本的h i t a c h i 公司在1 9 8 2 年推出第一个基 于c m o s 工艺的浮点d s p 芯片，1 9 8 3 年f l 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，该公司推出了定 2 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 d ) 在d s p 芯片市场上也占有一定的份额，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 l l 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 1 2 1 6 2 2 1 6 4 以及a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ，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 等。自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到 了突飞猛进的发展，其应用越来越广泛，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因 素。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 l o ) 降低到1 0 n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 ) ( 6 7 x 等) ，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 年占模片 区的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。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。 2 、d s p 的应用领域 在近2 0 年的时间里，d s p 芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号 处理、通信、雷达、消费等许多领域。主要应用有：信号处理、通信、语音、图 形图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。数字蜂窝电话是d s p 最为重要的应用领域之一。由于d s p 具有强大的计算能力，使得移动通信的蜂窝 电话重新崛起，并创造了一批诸如g s m 、c d m a 等全数字蜂窝电话网。在m o d e m 器件中，d s p 更是成效卓著，不仅大幅度提高了传输速率，且具有接收动态图像 能力。另外，可编程多媒体d s p 是p c 领域的主流产品。以x d s lm o d e m 为代表 的高速通信技术与m p e g 图像技术相结合，使得高品位的音频和视频形式的计算 机数据有可能实现实时交换。目前的硬盘空间相当大，这主要得益于c d s p ( 可定 制d s p ) 的巨大作用。预计在今后的p c 机中，一个d s p 即可完成全部所需的多 媒体处理功能。d s p 也是消费类电子产品中的关键器件。由于d s p 的广泛应用， 数字音响设备的更新换代周期变得非常短暂。用于图像处理的d s p 有两种用途， 一种用于j p e g 标准的静态图像数据处理；另一种用于动态图像数据处理【1 1 。 1 1 3d s p 市场前景 l 、d s p 的市场规模 从8 0 年代开始起步的d s p 市场，目前正处于高速成长的阶段。在数字化、个 人化和网络化的推动下，1 9 9 7 年世界d s p 市场营销额超过3 2 亿美元，预计未来 的年均增长率高达4 0 ，按照这一增长速度，至2 0 0 7 年，世界d s p 市场营销额已 突破5 0 0 亿美元。在全球d s p 产品市场中，t i 公司独占鳌头，占世界市场4 5 3 的份额，其次是朗讯( 2 8 ) 、a d i ( 1 2 ) 、摩托罗拉( 1 2 ) 、其他公司( 3 ) 。 2 、d s p 的发展前景 1 1 努力向系统级集成d s p 迈进。缩小芯片尺寸始终是d s p 的技术发展方向。 当前的d s p 多数基于r i s c ( 精简指令集计算) 结构，这种结构的优点是尺寸小、 功耗低、性能高。各厂商纷纷采用新工艺，改进d s p 芯核，并将几个d s p 芯核、 m p u 芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成 为d s p 系统级集成电路。这样的集成缩小了整机的体积，缩短了产品上市的时间， 是一个重要的发展趋势。 2 ) d s p 的内核结构进一步改善。其结构主要是针对应用，并根据应用优化设 计以极大改进产品的性能。多通道结构和单指令多重数据、超长指令字结构、超 标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构在新的高 性能处理器中将占据主导地位。 3 1 可编程d s p 是主导产品。可编程d s p 给生产厂商提供了很大的灵活性。 生产厂商可在同一个平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的 需求。同时，也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现，许多微 控制器能做的事情，使用可编程d s p 将做得更好更便宜。 钔追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸。由于电子设备的个人 化和客户化趋势，d s p 必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新 步伐。同时由于其应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域，特别是便携式手 持产品对于低功耗和尺寸的要求很高，所以d s p 有待于进一步降低功耗。按照 c m o s 的发展趋势，依靠新工艺改进芯片结构，d s p 运算速度的提高和功耗尺寸 的降低是完全可能的。 5 1 与可编程器件结合。d s p 的许多新应用需要比传统d s p 处理器更加强大 的数字信号处理能力，设计者往往会借助p l d 和f p g a 来满足他们日益提高的信 号处理需求。与常规d s p 器件相比，f p g a 器件配合传统的d s p 器件可以处理更 多信道，可在基站中用来实现高速实时处理功能，满足无线通信、多媒体等领域 多功能和高性能的需要。 6 ) d s p 嵌入式系统。d s p 嵌入式系统是d s p 系统嵌入到应用电子系统中的 一种通用系统。这种系统既具有d s p 器件在数据处理方面的优势，又具有应用目 标所需要的技术特征。在许多嵌入式应用领域，既需要在数据处理方面具有独特 优势的d s p ，也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器( m c u ) 。因此，将d s p 与m c u 融合在一起的双核平台，将成为d s p 技术发展的一种新潮流【3 】。 3 、我国d s p 市场前景 目前，国外众多厂商涉足我国d s p 产品市场，我国的d s p 应用已有了相当的 4 基础，有l o 多家集成电路设计企业从事数字信号处理系统及相关产品的开发与应 用。从应用范围来说，数字信号处理器市场前景看好。d s p 不仅成为手机、个人 数字助理等快速增长产品中的关键元件，而且它正在向数码相机和电机控制等领 域挺进。随着d s p 芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、 低功耗化方向发展，d s p 日益进入人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国 d s p 市场将蓬勃发展，今后几年市场销售额仍将保持4 0 以上的增长率，具有良 好的市场前景1 2 】。 1 2课题来源及目的意义 1 2 1课题来源 随着技术的飞速进步与发展，d s p 芯片更新换代的速度日新月异，但是目前 高校的实验系统相对于快速发展的d s p 行业来说比较落后。面临着越来越激烈的 社会竞争，当学生走出校门，踏上工作岗位，能否适应目前这种激烈的竞争局面、 是否有足够的能力胜任自己的工作岗位，已经成为了一个比较热门同时也是尚待 解决的社会问题。 对此，针对这种严峻的局面，只有提高学生们在校期间的技术能力，增强学 生们踏入社会前的实际动手能力，才能面对走出校门后巨大的工作压力，胜任将 来的工作岗位。由此，设计出一套符合当前行业技术形势、适合高校教学的。d s p 实验系统，已成为当务之急。学生们在学习充足的d s p 理论知识的同时，锻炼其 实际动手能力，让学生们在课堂上学习到的d s p 理论知识能够在实际当中得到应 用，理论联系到实际，才能更好的理解和吸收理论知识。同时，通过实验，不但 能锻炼学生们解决和处理问题的能力，而且在实验过程中遇到的问题，更能加深 对理论的理解和掌握，融会贯通，充分的加强了学生们的技术能力。另外，通过 实验系统上这几款在行业内技术比较领先的处理器，能够让学生们学习和了解到 这个飞速发展的d s p 行业的最新的知识和现状。 总之，为更新高校实验室的d s p 设备，给学生们提供一个可以提高实际动手 能力的先进的实验平台，本文在借鉴以往成功研制开发实时d s p 技术及浮点处理 器应用的教学实验系统基础上，研发新的基于t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 浮点d s p 芯片处理 器结合s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 控制芯片，应用于d s p 教学的实验系统。 1 2 2课题的目的和意义 5 实验教学在整个教学环节中具有对理论知识的验证，和通过对理论知识的深 入理解并做进一步的创新研究的两方面作用。本课题的研究目的，是要研制出一 种适合于高校教学的实时d s p 及浮点处理器应用的教学实验系统。它以t i 公司推 出的第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 为核心，结合以c o r t e xm 3 为内核的 s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6a r m 控制芯片，实现对信号的传输、解调等处理。同时充分借 鉴实验室开发其他系列教学实验系统的经验，使得本系统既能够培训实验人员对 d s p 的基本认识和理解，也能够让实验人员接触到最新的a r mc o r t e x m 3 内核芯 片，培养他们对d s p 技术的整体认识和创新精神。在当今d s p 系统中，d s p 和嵌 入式联系越来越紧密。为了适应这种形势，d s p 研究方向的高校毕业生，不仅要 求掌握d s p 方面的知识，还需要掌握嵌入式方面的知识，需要对d s p 和嵌入式系 统能有一个整体的认识，这样才能跟上d s p 行业的迅猛发展。 从d s p 行业发展的情况来看，d s p 技术的运用越来越广泛，掌握d s p 的开发 和应用技术在嵌入式领域也显得越来越重要。而该实验系统面向对象正是准备从 事d s p 产品开发的学生，本实验系统为他们提供一个综合的实验和研究平台，帮 助他们迅速掌握丌发d s p 产品所需的基础硬件知识、固件知识和软件知识，也为 他们提供了一些实用的d s p 应用方法。 总的说来，实验内容覆盖面广，从组成最基本的d s p 应用电路到算法都可以 在本实验系统上进行。各功能部件敞开性好，有利于加深学生的感性认识，而且 充分调动学生的自主性，锻炼他们的实践动手能力。 1 3 论文组织结构 本文分为五章。 第一章，介绍了d s p 技术应用与发展，提出了要解决的问题，并对论文的目 的、意义、重点和内容进行了简单的阐述； 第二章，阐述了基于浮点d s p 处理器t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 的固件系统的硬件构造， 并对此系统的硬件构成做了详细的介绍； 第三章，详细阐述了本系统中的固件设计和实现，主要包括六大模块：键盘 控制模块、显示模块、通用同步异步串口( u s a r t ) 模块、双口r a m 模块、u s b 模块和s d 存储卡模块，通过协处理器s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 控制实现； 第四章，针对本系统设计了相关的几个实验，包括了系统的熟悉与操作、语 音、特殊信号调制、算法等方面的实验，可供学生学习和实践； 第五章，结束语，对论文的工作进行总结。 6 2 基于浮点d s p 处理器t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 的硬件系统 2 1硬件总体概述 2 1 1系统设计 硬件系统主要分为三大模块：数据处理单元、逻辑控制单元和控制单元。采 用t i 公司的浮点d s p 处理器t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 作为整个系统的核心，应用其出色 的运算能力、数据处理速度快、精度高等优点，完成系统的数据处理任务；选用 c p l d ( a t f l 0 5 8 s ) 来担任整个电路的逻辑控制和地址分配；控制单元是以 c o r t e x m 3 为内核的a r m 芯片s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 为核心，其强大的控制能力， 充分满足了整个系统的控制功能，其丰富的外设配置，为系统的扩展和将来的系 统升级提供了广阔的空间。硬件系统如下图2 1 所示： 图2 1 硬件系统 f i g u r e2 1h a r d w a r es y s t e m 主处理器t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 负责完成数据处理的任务，协处理器 s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 负责系统控制的功能，外围电路包括专用的a d 、d a 、d d s 信 号源、音频电路、键盘控制、s d 卡、u s b 接口及l c d 显示，主、协处理器之间 7 通过双口r a m 通信。整个硬件系统功能灵活、通用性强、扩展性好。 2 1 2系统实现功能 本系统的功能模块主要包括数据采集单元、数据处理单元、音频单元、存储 器单元、通信传输单元和输出显示单元等，可实现对信号的采集、处理和信息转 储等功能。学生在实验过程中能通过本系统充分的学习和了解各个模块的功能， 达到理论联系实际的目的，同时也能学习和接触到当前行业比较领先的d s p 和 a r m 处理器。 2 2 主处理器部分 d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器。其内部采用程序和数据空问分开 的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指 令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下的一些主要特点： 1 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 1 片内具有快速r a m ，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 1 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。与通用微处 理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些【4 】。 2 2 1d s p 系列处理器比较 l 、d s p 芯片的分类 d s p 的j 占片可以按照以下的三种方式进行分类。 1 ) 按基础特性分 根据芯片的工作时钟和指令类型来分类。如果d s p 芯片在某时钟频率范围内 的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类芯片一 般称之为静态d s p 芯片。如果有两种或两种以上的d s p 芯片，它们的指令集和相应 的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类芯片称之为一致性的d s p 芯片。 2 ) 按数据格式分 根据芯片工作的数据格式来分类。数据以定点格式工作的芯片称之为定点 d s p 芯片，以浮点格式工作的称为d s p 芯片。不同的浮点d s p 芯片所采用的浮点 格式不完全一样，有的采用自定义的浮点格式，有的则采用i e e e 的标准浮点格式。 3 ) 按用途分 按照芯片的用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型的d s p 芯片。通用型 适合普通的d s p 应用，如t i 公司的一系列d s p 芯片。专用型为特定的d s p 运算 而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和f f t 等。 2 、d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片才能进一步设计外围电路及系统的其它电路。总的来说，芯片的选择应根据 实际的应用系统需要而确定。一般来说，选择芯片时考虑以下诸多因素： 1 ) 运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择芯 片时所需要考虑的一个主要因素。运算速度可以用以下几种性能指标来衡量： 指令周期。就是执行一条指令所需要的时间，通常以n s 为单位。 m a c 时间。即一次乘法加上一次加法的时间。 f f t 执行时间。即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。 m i p s 。即每秒执行百万条指令。 m o p s 。即每秒执行百万次操作。 m f l o p s 。即每秒执行百万次浮点操作。 b o p s 。即每秒执行十亿次操作。 2 ) 运算精度：一般情况下，浮点d s p 芯片的运算精度要高于定点d s p 芯片 的运算精度，但是功耗和价格也随之上升。一般定点d s p 芯片的字长为1 6 位、2 4 位或者3 2 位，浮点芯片的字长为3 2 位。累加器一般都为3 2 位或4 0 位。定点d s p 的特点是主频高、速度快、成本低、功耗小，主要用于计算复杂度不高的控制、 通信、语音图像、消费电子产品等领域。通常可以用定点器件解决的问题，因为 它经济、速度快、成本低，功耗小。但是在编程时要关注信号的动态范围，在代 码中增加限制信号动态范围的定标运算，虽然我们可以通过改进算法来提高运算 精度，但是这样做会相应增加程序的复杂度和运算量。浮点d s p 的速度一般比定 点d s p 处理速度低，其成本和功耗都比定点d s p 高，但是由于其采用了浮点数据 格式，因而处理精度，动态范围都远高于定点d s p ，适合于运算复杂度高，精度 要求高的应用场合；即使是一般的应用，在对浮点d s p 进行编程时，不必考虑数 据溢出和精度不够的问题，因而编程要比定点d s p 方便、容易。因此说，运算精 9 度要求是一个折衷的问题，需要根据经验等来确定一个最佳的结合点。 3 ) 字长的选择：一般浮点d s p 芯片都用3 2 位的数据字，大多数定点d s p 芯片是1 6 位数据字。字长大小是影响成本的重要因素，它影响芯片的大小、引脚 数以及存储器的大小，设计时在满足性能指标的条件下，尽可能选用最小的数据 字。 4 ) 存储器等片内硬件资源安排：包括存储器的大小，片内存储器的数量，总 线寻址空间等。片内存储器的大小决定了芯片运行速度和成本。通过对算法程序 和应用目标的仔细分析可以大体判定对d s p 芯片片内资源的要求。几个重要的考 虑因素是片内r a m 和r o m 的数量、可否外扩存储器、总线接h 中断串行口等 是否够用、是否具有d 转换等。 5 ) 开发调试工具：完善、方便的的开发工具和相关支持软件是开发大型、复 杂d s p 系统的必备条件，对缩短产品的开发周期有很重要的作用。开发工具包括 软件和硬件两部分。软件开发工具主要包括：c 编译器、汇编器、链接器、程序库、 软件仿真器等。在确定d s p 算法后，编写的程序代码通过软件仿真器进行仿真运 行，来确定必要的性能指标。硬件开发工具包括在线硬件仿真器和系统开发板。 在线硬件仿真器通常是j t a g 周边扫描接口板，可以对设计的硬件进行在线调试； 在硬件系统完成之前，不同功能的开发板上实时运行设计的d s p 软件，可以提高 开发效率。甚至在有的数量小的产品中，直接将开发板当作最终产品。 6 ) 功耗与电源管理：一般来说个人数字产品、便携设备和户外设备等对功耗 有特殊要求，因此这也是一个该考虑的问题。它通常包括供电电压的选择和电源 的管理功能。供电电压一般取得比较低，实施芯片的低电压供电，通常有3 3 v 、 2 5 v ，1 8 v ，0 9 v 等。在同样的时钟频率下，它们的功耗将远远低于5 v 供电电 压的芯片。加强了对电源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式节省功率消耗。 7 ) 价格及厂家的售后服务因素：价格包括d s p 芯片的价格和开发工具的价 格。如果采用昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围也肯定受到一定的限 制。但低价位的芯片相对的功能较少、片内存储器少、性能上差一些的，这就带 给编程一定的困难。因此，要根据实际系统的应用情况，确定一个价格适中的d s p 芯片。此外还要充分考虑厂家提供的的售后服务等因素，良好的售后技术支持也 是开发过程中重要资源。 8 ) 其他因素：包括d s p 芯片的封装形式、环境要求、供货周期、生命周期 刍甜5 】 1 寸o 1 0 2 2 2t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 浮点d s p 处理器 t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 是t i 公司继定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 x 系列后开发的一种 新型浮点d s p 芯片。该芯片的内部结构在t m s 3 2 0 c 6 2 x 的基础上加以改进，内部 同样集成了多个功能单元，可同时执行8 条指令，其运算能力可达1 gf l o p s 。除 了具有t m s 3 2 0 c 6 2 x 系列的特点外，其主要特点还有： 运行速度快。指令周期最快可达3 3 n s ，峰值运算能力为2 4 0 0 1 8 0 0 m i p s m f l o p s ； 硬件支持i e e e 格式的3 2 b i t 单精度与6 4 b i t 双精度浮点操作； 集成了3 2 * 3 2 b i t 的乘法器，其结果可为3 2 或6 4 b i t ： t m s 3 2 0 c 6 7 x 的指令集在t m s 3 2 0 c 6 2 x 的指令集基础上增加了浮点执行 能力，可以看作是t m s 3 2 0 c 6 2 x 指令集的超集。 其性能指标如下表2 1 所示： 表2 1t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 性能指标 t a b l e2 1t h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so f t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 b 工作频率2 2 5 m h z r a m r o m o n - c h i pl l s r a m e m i f 接口 外部存储器 d m a m c a s p 1 2 c s p i t i m 髓 内核电压 i o 电压 丁作温度范围( o c ) 1 2 8 k b 3 8 4 k b 3 2 k b 1d 1 6 b i t a s y n cr a m r o m 、s d r s d r a m d 】a x 2 个 2 个 2 个 1i 玎1 1 2 v 3 3 v 0 9 0 ，- 4 0 1 0 5 由于其出色的运算能力、高效的指令集、智能外设、大容量的片内存储器和 大范围的寻址能力，这个系列的芯片适合于对运算能力和存储量有高要求的应用 场合，如：乐器、医疗、生物识别、无线电广播、音频会议、仪表以及工业应用 箜【6 】 寸0 2 3协处理器部分 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了 大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。具有性能高、成本 低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂 商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括i n t e l 、i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、 菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳 和m r i 等一系列知名公司。a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处 理器。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，兼容8 位1 6 位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定吧 2 3 1a r m 系列处理器比较 1 、a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的 处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器 都有各自的特点和应用领域。a r m 处理器系列的各自特点和性能优势，具体如下： ( 1 ) a r m 7 系列 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功 耗要求较高的消费类应用。具有如下特点： 具有嵌入式i c e - - r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用。 能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 对包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等操作系统广泛支持。 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于产品 升级换代。 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调 制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d