（机械电子工程专业论文）基于dsp的μcosⅡ移植及can构件设计.pdf

西华大学硕十学位论文 基于d s p 的“c o s i i 移植及c a n 构件设计 机械电子工程专业 研究生王清明指导老师邓志平 近年来，嵌入式系统受到科学与工程各个领域研究者的密切关注，成为研究 的一个热点。随着嵌入式系统的复杂性不断增加，嵌入式操作系统成为嵌入式系 统中最重要的组成部分。在嵌入式系统中，o s i i 凭借其结构清晰，源代码 开放等优势，成为操作系统领域的技术热点。嵌入式操作系统u c o s i i 与模块 化硬件相结合，共同构成一个可以重复利用的软硬件系统平台，不但可以提高开 发效率，还可以提高设备的性能，满足日益复杂的应用需求。 随着网络技术的发展及其在工业自动化领域的不断深入，作为网络互联技 术的现场总线技术已经在测试系统中获得了长足的发展，成为近年来现代测控 系统的主流，这为传统控制系统结构的改善和系统控制性能的优化提供了有效 的途径。在工程监控领域中，c a n 总线作为一个开放性的全分布式控制系统得到 广泛使用。c a n 总线把所有挂接在总线上的智能设备连接成网络，构成自动化系 统，实现对现场设备的实时监控。 基于这些考虑，本文介绍了嵌入式实时操作系统的特点，分析了它的基本 理论和一些重要的念：引入了嵌入式实时操作系统“c 0 s - i i ，对其内核工作机 理，核心数据结构的各种功能和实现方法做了详细深入的剖析。采用德州仪器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 微处理器为和c c s ( c o d e e o m p o s e r s t u d i o ) 3 0 集成开发环境，成功 移植了产i _ t c o s i i 内核，并在深入研究c a n 通信模块特点和驱动的基础上，把 驱动移植到“c o s ii 操作系统中。 关键词：嵌入式，d s p ，p c 0 s i i ，c a n 总线 西华大学硕士学位论文 t h ep o r t i n go fg c o s - i ia n dt h e d e s i g no fc a n c o m o n e n tb a s e do nd s p m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n gq i n g m i n g s u p e r v i s o r ：d e n gz h i p i n g e m b e d d e ds y s t e ma t t a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s f r o mv a r i o u sf i e l d so f s c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，a n db e c o m e sah o tr e s e a r c h i n gf i e l di nr e c e n ty e a r s d u et o t h ei n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo ft h ee m b e d d e ds y s t e m s ，t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m h a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ee m b e d d e d s y s t e m i ne m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m , w i t ht h ea d v a n t a g eo fc l e a rs t r u c t u r ea n do p e ns o u r c e c o d e s ，g c o s i ih a s b e c o m et h e t e c h n i c a l h o t s p o t i nt h ef i e l do fm o n i t o r i n g s y s t e m a n do t h e r f i e l d s c o m b i n i n gt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mg c o s i iw i t ht h em o d u l a r i z e d h a r d w a r e ，as o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mp l a t f o r mt h a tc a nb eu s e dr e p e a t e d l yw i l l b ef o r m e d t h i sp l a t f o r mc a nn o to n l yi n c r e a s et h ed e v e l o p i n ge f f i c i e n c y b u ta l s o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe q u i p m e n t sa n ds a t i s f yt h ei n c t e a s i n g l yc o m p l i c a t e d a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o ni n i n d u s t r i a l a u t o m a t i cf i e l d s ，f i e l db u st e c h n i q u ei nn e t w o r ks y s t e mh a sb e e n w i d e l yu s e di n t e s t - c o n t r o l s y s t e m , a n db e c o m e st h em a i n s t r e a mi nm o d e mt e s t c o n t r o ls y s t e m t h i sp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yi ni m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a lc o n t r o l l i n g s y s t e ma n dt h eo p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mc o n t r 0 1 i nt h ef i e l d e so f p r o j e c tm o n i t o r i n g ，a sa no p e n l yf u l ld i s t r i b u t e dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，c a nb u sh a s b e e nw i d e l yu s e d i tc o n n e c t sa l li n t e l l e c t u a le q u i p m e n t sw h i c ha r ea r t i c u l a t e dw i t h t h eb u si n t oan e t w o r k ，f o r m sa na u t o m a t i cs y s t e ma n dr e a l i z e sr e a l t i m em o n i t o r i n g o fo n s i t ee q u i p m e n t s i i i 西华大学硕士学位论文 t h i st h e s i sg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ec h a r a c t e ro fe m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m , a n a l y z i n gt h e i rb a s i ct h e o r ya n ds o m eo fi m p o r t a n tc o n c e p t s i n t r o d u c e dt h ei 玎o sg c o s 一工io fk e m e lm e c h a n i s m a ，t h ec o r ed a t as t r u c t u r ea n d m e t h o d so fa c h i e v i n ga r ed e e p e ra n a l y z e d p c o s iii ss u c c e s s f u lp o r t e db yt e x a s i n s t r u m e n t s 田m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7m i c r o p r o c e s s o r sa n dc c s ( c o d e e o m p o s e r s t u d i o ) 3 0 i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t a n d b a s e do n i n d e p t h r e a c h e s o fc a nm o d u l e s c h a r a c t e r i s t i c sa n di t sd r i v e r c a nd r i v e ri sp o r t e do n t og c o s iio p e r a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ： e m b e d d e ds y s t e m ，d s p ，“c o s - i i c a nb u s s i v 西华大学硕士学位论文 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。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，也不包含为获得西华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 明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签名： 嘲 呷神 ki h 6 旯tf 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 嵌入式系统概述 目前存在多种嵌入式系统的定义，有的是从嵌入式系统的应用定义的，有 的是从嵌入式系统的组成定义的，也有的是从其他方面进行定义的，下面给出 两种比较常见的定义。 第一种定义：根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系 统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置 ( 原文为d e v i c e su s e d t oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo r p l a n t s ) 。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合 体，还可以涵盖机电等附属装置。 第二种定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件 可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。广而 言之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。 嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中，它 融合了计算机软硬件技术、通信技术和半导体微电子技术，是信息技术工t ( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 的最终产品。 嵌入式系统从出现至今己历经3 0 多年的时间，发展历史悠久。早在电子数 字计算机出现之前就有了把计算装置嵌入在系统和设备之中的嵌入式系统，如 把计算机嵌入到导弹等武器和航天器中。但是直到2 0 世纪6 0 年代末( 集成电 路化的第三代计算机时期) ，随着微电子技术的发展，嵌入式计算机才逐步兴起。 近几年来，随着计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术 已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历4 个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺 服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制 系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。 这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储 西华大学硕士学位论文 容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前 在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存 储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达 到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式 操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、 效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具有文件和目录管理、多任务、网 络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口a p i ，开发应 用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶 段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展 以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2 位微处理器在该系统中占主导地 位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，它与网络、i n t e r n e t 结合日益密切， 因而，嵌入式系统应用将日益广泛。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： l 、嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌 入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积 小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内 部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦 合也越来越紧密。 2 、嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择 更具有竞争力。 西华大学硕士学位论文 4 、嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 、为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 、嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能 对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发 根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。这里根据嵌入式系 统的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下4 类： 1 单个微处理器 这类系统一般由单片嵌入式处理器组成，嵌入式处理器上集成了存储器i o 设备、接口设备( 如a d 转换器) 等，嵌入式处理器加上简单的元件如电源、 时钟元件等就可以工作。单个微处理器这类系统可以在小型设备中( 如温度传 感器、烟雾和气体探测器及断路器) 找到。这类设备是供应商根据设备的用途 来设计的。常用的嵌入式处理器如p h i l i p s 公司的8 9 l p c x x x 公司系列，m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 0 5 、0 8 系列等。 2 嵌入式处理器可扩展的系统 这类嵌入式系统使用的处理器根据需要，可以扩展存储器，也可以使用片 上的存储器，处理器一般容量在6 4 k b 左右，字长为8 位或1 6 位。在处理器上 扩充少量的存储器和外部接口，以构成嵌入式系统。这类系统可在过程控制、 信号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。 3 复杂的嵌入式系统 组成这样的嵌入式系统的嵌入式处理器一般是1 6 位、3 2 位等，用于大规模 的应用，由于软件量大，因此需要扩展存储器。扩展存储器一般在i m b 以上， 外部设备接口一般仍然集成在处理器上，常用的嵌入式处理器有a r m 系列、 m o t o r o l a 公司的p o w e r p c 系列、c o l d f i r e 系列等。这类系统可见于开关装置、 控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制 系统等。它们是一个大系统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该 系统。这种组件可同计算机一起操作，并可包括某种数据库( 如事件数据库) 。 4 在制造或过程控制中使用的计算机系统 对于这类系统，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。 西华大学硕士学位论文 这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。在这些系统中，计算机用于总体 控制和监视，而不是对单个设备直接控制。过程控制系统可与业务系统连接( 如 根据销售额和库存量来决定订单或产品量) 。在许多种情况下，两个功能独立 的子系统可在一个主系统操作下一同运行。如控制系统和安全系统：控制子系 统控制处理过程i 以使系统中的不同设备能正确地操作和相互作用于生产产品； 而安全子系统则用来降低那些会影响人身安全或危害环境的误操作风险。 d s p 系统属于嵌入式系统的种也正日益引起人们的重视，成为极为重要的 发展方向。d s p 操作系统与应用设备的无缝结合代表着d s p 操作系统发展的真 正未来。在工业控制及其他相关领域都有巨大的需求。 1 2 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统就是应用于嵌入式系统的操作系统，其产品出现于2 0 世纪 8 0 年代初经过2 0 多年的发展，到目前为止国际市场上已经出现了几十种嵌入 式操作系统。 1 嵌入式操作系统的种类 般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领 域的实时操作系统，如p c o s - i i 和w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 等；另一类是面 向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、移动电 话、机项盒、电子书、w e b p h o n e 等，下面着重介绍实时操作系统。 实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应 的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些 操作进行的时间有关。“在确定的时间内是该定义的核心。也就是说，实时 系统是对响应时间有严格要求的。 实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引 起严重后果。实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅 要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在 硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件 的处理。通常，大多数实时系统是两者的结合。实时应用软件的设计一般比非 实时应用软件的设计困难。实时系统的技术关键是如何保证系统的实时性。 实时多任务操作系统是指具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系 西华大学硕士学位论文 统。其首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提 高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。实时操作 系统具有如下功能：任务管理( 多任务和基于优先级的任务调度) 、任务间同步 和通信( 信号量和邮箱等) 、存储器优化管理( 含r o m 的管理) 、实时时钟服务、 中断管理服务。实时操作系统具有如下特点：规模小，中断被屏蔽的时间很短， 中断处理时间短，任务切换很快。 实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级的系统 而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行任务的c p u 使用权并 将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务，是内核抢了c p u 让别的任务运 行。不可抢占型实时操作系统使用某种算法并决定让某个任务运行后，就把c p u 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控制权还回来。中断由中断服 务程序来处理，可以激活一个休眠态的任务，使之进入就绪态；而这个进入就 绪态的任务还不能运行，一直要等到当前运行的任务主动交出c p u 的控制权。 使用这种实时操作系统的实时性比不使用实时操作系统的系统性能好，其实时 性取决于最长任务的执行时间。不可抢占型实时操作系统的缺点也恰恰是这一 点，如果最长任务的执行时间不能确定，系统的实时性就不能确定。 本文即将用到的“c o s - i i 操作系统就是属于可抢占型实时操作系统，它的 实时性好，优先级高的任务只要具备了运行的条件，或者说进入了就绪态，就 可以立即运行。也就是说，除了优先级最高的任务，其他任务在运行过程中都 可能随时被比它优先级高的任务中断，让后者运行。通过这种方式的任务调度 保证了系统的实时性，但是，如果任务之间抢占c p u 控制权处理不好，会产生 系统崩溃、死机等严重后果。 2 实时操作系统的优点 在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得 容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立 的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件 都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得 系统资源得到更好的利用。 西华大学硕士学位论文 1 3 现场总线的发展 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一它的出现，标志着控制技 术又一个新时代的开始，而由它所形成的现场总线系统则被誉为新一代的网络 集成化控制系统，被誉为自动化领域的计算机局域网这就指明了现场总线系统 既是通信网络，又是自控系统的特征。 现场总线f f ( f i e l db u s ) 的概念起源于7 0 年代，当时主要考虑将操作室 的现场信号和到控制仪器的控制信号由一组总线以数字信号的形式传送，不必 每个信号都用一组信号线。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展，现场总 线已经发展成为集计算机网络、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线 控制系统f c s ( f i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，现在的现场总线分布在自动化应用 的各个角落，给设计者和使用者带来很大的方便。目前流行的现场总线系统有 c a n 、h a r t 、l o n w o r k 、p r o f i b u s 、f f 、m o d b u s 等标准，由于各个总线的标准不 同，应用的场合分布于各个自动化应用的现场。 c a n 是控制器局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，最早是由德国 b o s c h 公司推出的，用于汽车内部测量与执行部件间的数据通信，期总线规范现 己被i s o 国际标准制定为国际标准。由于其得到m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p ， s i e m e n c e ，n e c 等公司的支持，它广泛的应用与离散控制系统，其信号传输介 质为普通双绞线或光缆等，通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离可达 l o k m 5 k b p s 。c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而 传输时间短，受干扰的概率低，由于其采用c r c - 1 6 的校验方式，误码率仅为 3 1 0 5 。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联 系，使通信线上的其他节点机通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 1 4 论文的章节安排 论文共分六个部分： 第一章分别对嵌入式系统和嵌入式操作系统进行了概述，并介绍了现场总 线的发展及本次课题研究的目的和意义。 第二章介绍了d s p 2 0 0 0 系列芯片的结构特征以及选型，然后以具体的 g c o s i i 系统内核为例，从任务调度与管理、任务同步与通信、中断管理、时 间管理等多个方面对嵌入式实时嵌入式系统进行了探讨和研究。 西华大学硕士学位论文 一 第三章分析移植条件，按照d s p t m s 2 4 0 7 a 处理器的结构特点，对们0 s ii 内核进行修改并移植上去。 第四章分析了d s p 2 4 0 7 的c a n 功能模块和特征，进行c a n 构件设计，并设 计c a n 总线通信实例，验证了c a n 构件设计的正确性。 第五章对研究工作的总结，并给出今后研究工作的展望。 西华大学硕士学位论文 2d s p 2 4 0 7 和l j l c o s ii 简介 本文要研究的对象是得州仪器公司的1 6 位d s p 产品t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和源代 码公开的r t o s c o s i i ，因此本章先对两者进行了概要性的介绍。 2 1d s p 芯片的结构特征 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结 构。下面以t m s 3 2 0 系列为例介绍d s p 芯片的基本结构。 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作； ( 3 ) 专用的硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令；( 5 ) 快速的指令周期。这些特 点使得t m s 3 2 0 系列d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算，并使大部分运算( 例如 乘法) 能够在一个指令周期内完成。由于t m s 3 2 0 系列d s p 芯片是软件可编程器 件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。下面分别介绍这些特点是 如何在t m s 3 2 0 系列d s p 芯片中应用并使得芯片的功能得到加强的。 1 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( y o nn e u m a n ) 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，每个存储器独立编址，独立访问。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。而冯诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中， 统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令 和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和 执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，t m s 3 2 0 系列d s p 芯 片在基本哈佛结构的基础上作了改进，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 ( c a c h e ) 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。如t m s 3 2 0 c 3 0 具有6 4 个字的c a c h e 。 2 流水线 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强 了处理器的处理能力。t m s 3 2 0 系列处理器的流水线深度从2 6 级不等。第一代 8 两华大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级 流水线。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。图2 1 所示为一个三级流水线操作的例子。 。n。n + 1。n + 2。 1r n 一1。 n。 1r n 一2n 一1。n f i g2 1t h r e ep i p e l m m g 图2 1 三级流水线操作 在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指 令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个 指令处于不同的阶段。例如，在第n 个指令取指时，前一个指令即第n 一1 个指 令正在译码，而第卜2 个指令则正在执行。一般来说，流水线对用户是透明的。 3 专用的硬件乘法器 在一般形式的f i r 滤波器中，乘法是d s p 的重要组成部分。对每个滤波器 抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，d s p 处理器的性能就越高。 在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周 期来完成。相比而言，d s p 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。在t m s 3 2 0 系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。 4 多处理单元 d s p 内部一半包括多个处理单元。如硬件乘法器( m u l ) ，累加器( a c c ) ，算 术逻辑单元( a l u ) ，辅助算术单元( a r a u ) 。同时在d s p 内部还中和地集成有适 用于高速信号处理的许多功能，包括因频繁使用而部分硬件化的特殊功能( 如 数字信号处理算法特有的循环寻址功能，溢出时仍可继续运算的饱和处理，纠 错功能等) ，单独的d m a 总线和d m a 控制器，大容量存储器，模数于数模转换 ，两华大学硕士学位论文 器，高速度串并行端口等。他们都可以在单周期内执行完各自的任务。例如： 当完成一个乘法和累加的同时，辅助算术单元已经完成下一个地址的寻址工作， 为下一次运算做好了充分的准备，因此d s p 可以完成连续的乘法运算，二每一 次的运算都是单周期的。这些都为数据采集，高速度的处理及实时控制提供了 完备的硬件基础。 5 特殊的d s p 指令 在d s p 的指令系统中，有许多指令是多功能指令集一条指令可以完成集中 不同的操作，或者说一条指令具有几条指令的功能。如t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 中的d m o v 就是一个特殊的d s p 指令，它完成数据移位功能。在数字信号处理中，延迟操 作非常重要，这个延迟就是由d m o v 来实现的，t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 中的另一个特殊指 令是l t d ，它在一个指令周期内完成l t 、d m o v 和a p a c 三条指令。l t d 和m p y 指 令可以将f i r 滤波器抽头计算从4 条指令降为2 条指令。再如在第二代处理器 中，增加了2 条更特殊的指令，即r p t 和m a c d 指令，采用这2 条特殊指令，可 以进一步将每个抽头的运算指令数从2 条降为1 条： r p t k2 5 5；重复执行下条指令2 5 6 次 m a c d；l t ，d m o v ，m p y 及a p a c 6 快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令再加上集成 电路的优化设计，可使d s p 芯片的指令周期在2 0 0 n s 以下。t m s 3 2 0 系列处理器 的指令周期已经从第一代的2 0 0 n s 降低至现在的2 0 n s 以下。快速的指令周期使 得d s p 芯片能够实时实现许多d s p 应用。 2 2d s p 芯片的选型 在d s p 市场上，从廉价型到超高性能型各类品种都有，世界上生产和开发d s p 芯片的公司也很多，著名的有美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t 工) 公 司，美国模拟器件( a n a l o gd e v i c e s 简称a d ) 公司m o t o r o l a ，a t & t ，i n t e l ，n e c f u j i t s u ，n a t i o n a l 等。在我国推广和应用叫多的有t i 公司，a d 公司和m o t o r o l a 公司的d s p 芯片。 d s p 芯片的分类有几种不同的方式，如按特性分类，即以工作时钟和指令类 型为指标来分：按用途分类，可以分为通用型和专用型d s p 芯片；按运算时的 西华大学硕士学位论文 数据格式来分，可分为定点格式和浮点格式两种。另外各个厂家还根据d s p 芯 片的c p u 结构和性能将产品分成几个系列，从理论上讲，虽然浮点d s p 的动态 表2 - 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 与控制领域的单片机和d s p 的性能比较 t a b l e 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a n dt h ea r e ao f c o n t r o lo f t h em c ua n dd s pp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 硼m $ 3 2 0 l f 2 4盯垤$ 3 2 0 s 2 81耵$ 3 2 0 f 2 4n 町t e lm c 6 8 h c l 0 7208 x c l 9 6 m6 c 乘加单周期单周期单周期3 0 个周期1 2 个周期 l 指令 2 5 n s6 6 n s5 0 n s1 9 9 0 n s4 8 0 n s 硬件 1 6 x 1 63 2 x 3 2 1 6 x 1 6无无 乘法 器 们2 个1 0 位1 62 个1 2 位1 62 个1 0 位1 个8 1 01 个8 1 0 转换路路8 0 n s1 6 路6 1 u s位路，1 3位路，6 路 器5 0 0 n s路1 1 u s 8 6 u s p w1 6 路1 6 路1 2 路8 路4 路 m 定时4 个4 个3 个2 个2 个 器 内置 s p is c is p is c is p is c i 无尢 通讯c a n c a n 外设 范围比定点的d s p 大，且更适合于d s p 的应用场合，但定点运算的d s p 器件的 成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省，再则目前美国t i 的d s p 产 品在世界上d s p 市场上占有主导地位，尤其在国内，t i 公司拥有许多的代理商和 第三方开发者，他们所提供的t 工公司的d s p 产品及开发系统品种较为丰富，且技 术支持及售后服务做的比较好，因此在本课题中使用公司的产品t i 公司的的定 西华大学硕士学位论文 点t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片作为核心处理器它属于1 6 位的定点d s p ，最高速度可达 到1 5 0 m i p s ，可以在单个指令周期内完成1 6 1 6 位的乘累加运算，具有增强的 电机控制外设，高性能的1 0 模数转换能力和改进的通信接口，具有1 m b 的线性 地址空间，采用低电压供电( 3 3 v 外设，1 8 v 内核) ，与浮点的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 代码兼容。如表2 1 所示为其他应用于控制领域的单片机和d s p 与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的性能比较。 由上表可以看出，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为一款专为电机控制而设计的控制器， 它不仅具有运算速度快的特点，而且集成了丰富的片内外设，与其他应用于控制 领域的单片机和相比，具有明显的优势，因此，我们选择了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为研 究的核心控制c p u 。 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司推出的一款定点d s p 控制器，它采用了高性能静 态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗；4 0 m i p s 的执行 速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0 - i z ) ，从而提高了控制器的实时控制能力；集 成了3 2 k 字的闪存( 可加密) 、2 5 k 的r a m 、5 0 0 n s 转换时间的a d 转换器，片 上事件管理器提供了可以满足各种电机的p w m 接口和i 0 功能，此外还提供了 适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、s p i 、s c i 和c a n 控制器 等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。 如图2 2 所示，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 器件有三个主要的功能单元组成： 内核c p u 存储器与i o 接口 片内外设 下面我们分别叙述这三个主要的功能单元。 两华大学硕士学位论文 r 一 |i 一一、f 厂磊 专鼍岩寺一 旨= = = = = = = = = = = = = = f t = i ：工一 o = = 土i ! 一 h ；舀w ? z _ 一 l j - 二三= 生二= 一 厂一i - r _ 鼍兰若兰 l - - - - - - j 。- 一 磊二- j r _ 口兰羞三童兰 - u j 2 o l c l o l 嚣黧蹴。审型兰兰互= l 一一j _ 毒；_ 盐三l 二 fl g2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7f u n c t i o ns t r u c t u r e 图2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 功能结构 1 内核c p u t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 与所有x 2 4 x 器件具有相同的c p u 内核。中央处理单元包括l6 位 的定标移位器( s c a l i n g ，s h i f t e r ) ，1 6 1 6 位并行乘法器，3 2 位中央算术逻辑单 元( c a l u ) ，3 2 位累加器以及在累加器和乘法器二者输出处的附加移位器 ( a d d 工t 1 0 n a l s h i f t e r ) 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 提供了一个输入数据定标移位单元，它连 接1 6 位的数据总线和的3 2 位输入。它用于把来自存储器的1 6 位数据调整至3 2 位 c l a u 。这对于定标运算和逻辑运算的调整标志是必要的。该移位器作为从程序 或数据空间至c l a u 数据通路的一部分，并不需要周期开销( c y c l e o v e r h e a h ) ，片 上的硬件乘法器能实现1 6 , 1 6 _ 二进制补码乘法运算，输出3 2 位结果。与乘法器相 连的有一个1 6 位m - j 寄存器( t r e g ) 和一个3 2 位乘积寄存器( p r e g ) t r e g 提供一 个乘数，p r e g 接收每次乘的结果c a l u 是通用算术逻辑单元，它对取自数据存储 器或来自立即数指令的1 6 位字进行操作除了常用的算术指令外，c a l u 还可完成 布尔运算c a l u 的一个输入总由累加器提供，另一个输入可由p r e g 或定标移位器 提供，而定标移位器的输入已由数据存储器或a c c 读入c a l u 在完成算术或逻辑 运算后，结果存储在累加器a c c 中。 值得一提的是，器件提供了包括8 个辅助寄存器的寄存器文件辅助寄存器 西华大学硕士学位论文 用于数据存储器的间接寻址或用于暂时的数据存储这些寄存器用3 位辅助寄存 器指针( a r p ) 作为基准，( a r p ) 可装入数值0 至7 ，分别指示a r o 至a r 7 为当前辅助 寄存器辅助寄存器被连接到辅助寄存器算术单元a r a u 可以在数据存储单元被 间接寻址的同时自动索引当前辅助寄存器，可以按士l 或士a r o 寄存器内容完成 索引还可在按士a r o 寄存器内容完成索引的基础上进行反向进位( * b r o 士) ，这 种位反转变址可对基2 一f f t 程序中数据点进行重排序，从而使基2 一f f t 的输入 位反序，输出为正序，十分方便。 2 存储器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片内含有一个5 4 4 1 6 字节的双端( d u a l a c c e s s ) 随即存储 ( d a r a m ) ，一个3 2 k 的f l a s h 程序存储器，该模块用来提供永久的程序存储空间。 f l a s h 可以被编程或者使用电擦除的方式多次使用，以便允许进行代码的编程开 发t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为哈佛结构的d s p ，有3 个相互独立的存储空间，6 4 1 6 k 位程序空 间6 4 1 6 位数据空间和6 4 1 6 位i o 空间其中6 4 k 个1 6 位字的i o 空间存储器有 两个主要的地址段：0 0 0 0 h - - f f e f h 可访问应用中常用的片外外围设备，例如片外 数模转换器，键盘，显示器等f f o o - f f f f h 映射到片内i o 口空间，即用于片内外 设。或保留作为测试之用，用户不能使用。对外部i o 端口和片内i o 寄存器都 可用i n 和o u t 指令存取，对外部并行端口和对外部程序数据存储器的访问，