第2章_CPU内部结构与时钟系统

.,DSP原理与应用技术,第二章CPU内部结构与时钟系统,.,学习要点,1.CPU的组成结构和总线类型2.CPU寄存器及其作用3.CPU时钟类型及使用方法4.看门狗模块的作用及使用方法5.程序流的种类,.,2.1中央处理单元CPU概述,在TMS320C2000系列中，CPU内核为：C20 x/C24xC240 xC27x/C28xTMS320C28x系列芯片有3个主要组成部分：中央处理单元CPU存储器片内外设TMS320C28x系列芯片的功能框图,.,C281xBlockDiagram,32x32bitMultiplier,SectoredFlash128K16b,A(18-0),D(15-0),ProgramBus,DataBus,RAM18K16b,BootROM4K16b,22,32-bitAuxiliaryRegisters,332bitTimers,RealtimeJTAG,CPU,RegisterBus,R-M-WAtomicALU,PIEInterruptManager,32,32,32,EventManagerA,EventManagerB,12-bitADC,Watchdog,McBSP,CAN2.0B,SCI-A,SCI-B,SPI,GPIO,片内外设,L0,L1:4K16bH0:8K16bMO,M1:1K16b,3个32位定时器T0,T1,T2,外部中断扩展模块，支持96个中断，只使用45个,2个事件管理器其中的PWM单元，用于电机控制,16通道，分辨率为12位的模数转换模块,作用是防止程序跑飞或进入死循环，,多通道缓冲串行接口,增强型局域网络,串行通信接口,串行外围接口,通用并行接口,支持片上调试功能,.,TMS320C28x的CPU是一种低功耗的32位定点数字信号处理器，集中了数字信号处理器和微控制器的诸多优秀特性。采用改进型哈佛结构和循环寻址方式，精简指令集RISC(ReductionInstructionSetComputer)、支持字节的组合与拆分、位操作等。改进型哈佛结构可以并行地执行指令和读取数据。,2.1中央处理单元CPU概述,.,2.1.1兼容性TMS320C2000系列CPU的硬件结构有一定差别，指令集也不相同，但是，在C28x芯片中可以通过选择兼容特性模式，使C28xCPU与C27xCPU及C2xLPCPU具有最佳兼容性。C28x芯片具有3种操作模式：C27x目标-兼容模式C28x模式C2xLP源-兼容模式,2.1中央处理单元CPU概述,.,C28x模式：在该模式中，用户可以使用C28x的所有有效特性、寻址方式和指令系统，因此，一般应使C28x芯片工作于该种模式。C27x目标兼容模式：在复位时，C28x的CPU处于C27x目标-兼容模式。在该模式下，目标码与C27xCPU完全兼容，且它的循环计数也与C27xCPU兼容。C2xLP源兼容模式：该模式允许用户运行C2xLP的源代码，这些源代码是用C28x代码生成工具编译生成的。,2.1中央处理单元CPU概述,.,可通过状寄存器STl（P38）的位OBJMODE（D9）和位AMODE（D8）组合，选定模式。,2.1中央处理单元CPU概述,.,2.1.2CPU组成及特性1.CPU的组成,CPU,仿真逻辑,存储器接口信号,时钟和控制信号,复位和中断信号,仿真信号,产生数据和程序存储地址：编码和运行指令；执行算术、逻辑和移位操作；控制寄存器阵列内的数据转移、数据存储和程序存储等。,监视和控制DSP芯片内不同部件的工作，并且测试设备的操作情况。,2.1中央处理单元CPU概述,.,2.CPU的主要特征（1）保护流水线(Pretectedpipeline)：CPU具有八级流水线，可以避免从同一地址进行读写而造成的秩序混乱。（2）独立寄存器空间(Independentregisterspace)：在CPU中含有一些被映像至数据空间的寄存器。这些寄存器可以作为系统控制寄存器、数学寄存器和数据指针。系统控制寄存器可由特殊的指令进行操作，而其他寄存器则通过特殊指令或寄存器寻址模式来操作。,2.1中央处理单元CPU概述,.,（3）算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit)：32位的ALU完成二进制补码算术和布尔逻辑操作。（4）地址寄存器算术单元ARAU(AddressRegisterArithmeticUint)：ARAU产生数据存储地址以及与ALU并行操作的增量和减量指针。（5）循环移位器(Barrelshifter)：执行最多16位的数据左移位和右移位操作。（6）乘法器(Multiplier)：执行32位32位的二进制补码乘法运算，获得64位的乘积。乘法可以在有符号数和无符号数之间进行。,2.1中央处理单元CPU概述,.,2.1.3CPU信号CPU有4种主要信号（1）存储器接口信号（Memory-interfacesignals）：这些信号在CPU、存储器和外围设备之间进行数据传送；进行程序存储器的访问和数据存储器的存取；并能根据不同的字段长度区分不同的存取操作(16位或32位)。（2）时钟和控制信号(Clockandcontrolsignaks)：这些信号为CPU和仿真逻辑提供时钟，它们可以用来监视和控制CPU。,2.1中央处理单元CPU概述,.,（3）复位和中断信号(Resetandinterruptsignals)：这些信号用来产生硬件复位和中断，并用来监视中断的状态。（4）仿真信号(Emulationsignals)：这些信号用来仿真和调试。,2.1中央处理单元CPU概述,.,2.2CPU的结构及总线,2.2.1CPU结构CPU的主要单元有：（1）程序和数据控制逻辑：用来存储从程序存储器中取出的指令队列（2）实时仿真逻辑：实现可视化操作（3）地址寄存器算术单元ARAU：为从数据存储器中取出的值分配地址。对于数据读操作，它把地址放在数据读地址总线DRAB上对于数据写操作，它把地址装入数据写地址总线DWAB上ARAU也可以改变SP和辅助寄存器XAR7XAR0的值,.,（4）算术逻辑单元ALU：32位的ALU可以完成二进制补码运算和布尔运算。运算之前，ALU从寄存器、数据存储器或程序控制逻辑中接收数据；运算之后，ALU将数据存入寄存器和数据存储器（5）预取队列和指令译码：（6）程序和数据地址发生器（7）定点乘法器：完成32位32位的二进制补码乘法运算，获得64位的乘积。（8）中断处理,2.2CPU的结构及总线,.,.,2.2.2地址和数据总线存储器接口有3组地址总线：1PAB(ProgramAddressBus)程序地址总线：PAB用来传送来自程序空间的读/写地址。PAB是一个22位的总线。2DRAB(Data-ReadAddressBus)数据读地址总线：32位的DRAB用来传送来自数据空间的读地址。,2.2CPU的结构及总线,.,3DWAB(Data-WriteAddressBus)数据写地址总线：32位的DWAB用来传送来自数据空间的写地址。存储器接口还有3组数据总线：1PRDB(Program-ReadDataBus)程序读数据总线：PRDB在读取程序空间时用来传送指令或数据。PRDB是一个32位的总线。,2.2CPU的结构及总线,.,2DRDB(Data-ReadDataBus)数据读数据总线：DRDB在读取数据空间时用来传送数据。DRDB是一个32位的总线。3DWDB(DataProgram-WriteDataBus)数据程序写数据总线：32位的DWDB在对数据空间和程序空间写数据时用来传送数据。,2.2CPU的结构及总线,.,C28xInternalBusStructure,数据/写地址总线DWAB-Data-writeAddressBus(32位),程序地址总线PAB-ProgramAddressBus(22位),Execution,R-M-WAtomicALU,Real-TimeEmulation完成一个基于T最低4位的算术右移，（D3D0）十进制数015ASRLACC,T;完成一个基于T最低5位的算术右移，（D4D0）十进制数031,2.3.2被乘数寄存器XT,.,2.3.3结果寄存器（P、PH、PL）,结果寄存器P主要用来存放乘法运算的结果。可以直接装入一个16位常数，或者从一个16位32位的数据存储器、16位32位的可寻址CPU寄存器以及32位累加器中读取数据。P寄存器可以作为一个32位寄存器或两个独立的16位寄存器：PH(高16位)和PL(低16位)来使用。,.,当通过一些指令存取P、PH、PL时，所有的32位数都要复制到ALU移位器中，执行左移、右移。指令的移位操作由状态寄存器ST0中的乘积移位模式为PM(Productshiftmode)D9D7位来决定。,2.3.3结果寄存器（P、PH、PL）,.,2.3.4数据页指针（DP）,DP是16位寄存器，与6位偏移量构成数据页地址在直接寻址模式中，对数据存储器的寻址要在64个字的数据页中进行，即一个页面为26=64个字数据存储器共有216=64K=65536个数据页，用0000HFFFFH(065535)进行标号组成26216=222=4M字的数据存储器在DP直接寻址模式下，16位的数据页指针(DP)保存了目前的数据页号。可以通过给DP赋新值去改变数据页号。,.,.,2.3.5堆栈指针SP,堆栈指针SP为16位，可以对数据空间的低64K(216)进行寻址。当使用SP时，将32位地址的高16位置为0(SP高16位不可操作)。复位后SP指向地址00000400H。堆栈操作说明如下：1.堆栈从低地址向高地址增长。2.SP总是指向堆栈中的下一个空域。3.复位时，SP被初始化，它指向地址00000400H,.,4.将32位数值存入堆栈时，先存入低16位，然后将高16位存入下一个高地址中(低位在低地址，高位在高地址)。5当读写32位的数值时,C28xCPU期望存储器或外设接口逻辑把读/写排成偶数地址。例如，如果SP包含一个奇数地址00000083H，那么，进行一个32位的读操作时，将从地址00000082H和00000083H中读取数值。,2.3.5堆栈指针SP,.,6.如果增加SP的值，使它超过FFFFH，或者减少SP的值，使它低于0000H，则表明SP已经溢出。如果增加SP的值使它超过了FFFFH，它就会从0000H开始计数。例如，如果SP=FFFEH而一个指令又向SP加3，则结果就是SP=00001H。当减少SP的值使它到达0000H，它就会重新从FFFFH计数。例如，如果SP=0002H而一个指令又从SP减4，则结果就是FFFEH。7.当数值存入堆栈时，SP并不要求排成奇数或偶数地址。排列由存储器或外设接口逻辑完成。,2.3.5堆栈指针SP,.,2.3.6辅助寄存器XAR0XAR7、AR0AR7,CPU提供8个32位的辅助寄存器：XAR0、XARI、XAR2、XAR3、XAR4、XAR5、XAR6、XAR7。它们可以作为地址指针指向存储器，或者作为通用目的寄存器使用。许多指令可以访问XAR0-XAR7的低16位，其中，辅助寄存器的低16位为AR0-AR7，它们用作循环控制和16位比较的通用目的寄存器。,.,当访问AR0-AR7时，寄存器的高16位(AR0H-AR7H)可能改变或不改变，这主要取决于所应用的指令。AR0H-AR7H只能作为XAR0-XAR7的一部分来读取，不能单独进行访问。,2.3.6辅助寄存器XAR0XAR7、AR0AR7,.,2.3.7程序指针PC,当流水线满的时候，22位的程序指针总是指向当前操作的指令，该指令刚刚到达流水线解码的第2阶段。一旦指令到达了流水线的第2阶段，它就不会再被中断从流水线中清除掉，而是在中断执行之前就被执行了。,.,2.3.8返回程序寄存器RPC,RPC存放LCR（长调用指令）指令的返回地址当通过LCR（长调用指令）指令执行一个调用操作时，返回地址存储在RPC寄存器中，RPC以前的值存在堆栈中(在两个16位的操作中)。当通过LRETR指令执行一个返回操作时，返回地址从RPC寄存器中读出，堆栈中的值被写回RPC寄存器(在两个16位的操作中)。其他的调用指令并不使用RPC寄存器。,.,2.3.9中断控制寄存器IFG、IER、DBGIER,C28x有3个寄存器用于控制中断：中断标志寄存器(IFR)、中断使能寄存器(IER)和调试中断使能寄存器(DBGIER)。IFR包含的标志位用于可屏蔽中断(可以用软件进行屏蔽)。当通过硬件或软件设定了其中某位时，则相应的中断就被使能。可以用IER中的相应位屏蔽和使能中断。当DSP工作在实时仿真模式并且CPU被挂起时，DBGIER表明可以使用时间临近中断(如果被使能)。,.,enable使能，开中断disable禁止，关中断,.,enable使能，开中断disable禁止，关中断,Real-timeoperatingsysteminterrupte,Dataloginterrupte,.,pending挂起，表明中断没有被执行nopending，表明中断正在被执行,.,pending挂起，表明中断没有被执行nopending，表明中断正在被执行,.,enable使能disable禁止,.,enable使能disable禁止,.,2.3.10状态寄存器ST0,C28x有两个状态寄存器ST0和STl，其中包含着不同的标志位和控制位。ST0、ST1可以和数据寄存器交换数据，也可以保存机器的状态以及为子程序恢复状态。状态位根据流水线中位值的改变而改变，ST0的位在流水线的执行阶段改变，STl的位在流水线的译码阶段改变。,.,符号扩展模式位,溢出模式位,测试/控制标志位,进位标志位,零标志位,符号标志位,溢出标志位,乘积结果移位模式位,溢出计数器,0正数1负数,0不溢出1溢出,0无进位/借位1有进位/借位,0结果不是零1结果为零,.,1.OVC/OVCU-Overflowcounter，溢出计数器。有符号数和无符号数对它们的影响不同2.PM-Productshiftmodebits,乘积结果移位模式位确定从乘积结果寄存器P的输出操作的移位模式3.V-Overflowflag,溢出标志位寄存器溢出时，V=1并锁存；无溢出，V不变4.N-Negativeflag,负数标志位操作结果为负数，则N=1；结果为正数，N=05.Z-Zeroflag,零标志位操作结果为0，则Z=1;结果不为0，Z=0,2.3.10状态寄存器ST0,.,6.C-Carryflag,进位标志位加法产生进位，C=1,不产生进位，C=0减法产生借位，C=0,不产生借位，C=17.TC-Test/controlflag,测试/控制标志位若被测试位为1，TC=1；被测试位为0，TC=08.OVM-Overflowmodebit,溢出模式位9.SXM-Sign-extensionmodebit,符号扩展模式位SXM=1,禁止符号扩展，SXM=0,可以进行符号位扩展,2.3.10状态寄存器ST0,.,2.3.11状态寄存器ST1,寻址模式位,目标兼容模式位,映射模式位,M0/M1映射模式位,XF状态位,辅助寄存器指针,.,中断使能屏蔽位,调试使能屏蔽位,PAGE0寻址模式设置位,向量映射位,堆栈指针对齐位,循环指针对齐位,仿真处理使能位,空闲状态位,.,2.3.11状态寄存器ST1,1.ARP（D15D13）-Auxiliaryregisterpointer,辅助寄存器指针表明所使用的辅助寄存器,.,2.XF-XFstatusbit,XF状态位该位反映当前XFS输出信号的状态。3.M0M1MAP-M0andM1mappingmodebitM0和M1映射模式位在C28x模式下，M0M1MAP=1在C27x兼容模式下，M0M1MAP=04.OBJMODE-Objectcompatibilitymodebit目标兼容模式位OBJMODE=0，C27x兼容模式OBJMODE=1，C28x模式,2.3.11状态寄存器ST1,.,5.AMODE-Addressmodebit,寻址模式位6.IDELSTAT-IDLEstatusbit,空闲状态位7.EALLOW-Emulationaccessenablebit,仿真处理使能位8.LOOP-Loopinstructionstatusbit,循环指令状态位9.SPA-Stackpointeralignmentbit,堆栈指针对齐位10.VMAP-Vectormapbit,向量映射位11.PAGE0-PAGE0addressmodeconfigurationbitPAGE0寻址模式设置位,2.3.11状态寄存器ST1,.,12.DBGM-Debugenablemaskbit,调试使能屏蔽位13.INTM-Interruptgloblemaskbit,中断全局屏蔽位,2.3.11状态寄存器ST1,.,2.4时钟及系统控制,本节主要介绍F2812的时钟、锁相环、看门狗和复位控制电路等。F2812各种时钟电路如图所示。,.,140,76,77,160,低速时钟,高速时钟,高速时钟,.,2.4.1时钟寄存器组,.,外设时钟控制寄存器PCLKCRPeripheralclockcontrolregister控制2812芯片上各种时钟的工作状态，使能或禁止相关外设时钟。,.,外设时钟控制寄存器PCLKCR,.,2.系统控制和状态寄存器SCSRSystemControlSysCtrlRegs.HISPCP.all=0 x0001;/设定高速外设时钟预分频值SysCtrlRegs.LOSPCP.all=0 x0002;/设定低速外设时钟预分频值/对选定的外设进行外设时钟使能设置SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.EVAENCLK=1;SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.EVBENCLK=1;SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.SCIAENCLK=1;SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.SCIBENCLK=1;SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.MCBSPENCLK=1;SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.SPIENCLK=1;SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.ECANENCLK=1;SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.ADCENCLK=1;EDIS;,高速外设时钟设置寄存器设SYSCKLOUT=150MHz则，高速时钟=SYSCKLOUT/2=75MHz,低速外设时钟设置寄存器设SYSCKLOUT=150MHz则，高速时钟=SYSCKLOUT/4=37.5MHz,使能EV-A外设高速时钟,使能EV-B外设高速时钟,使能SCI-A外设低速时钟,使能SCI-B外设低速时钟,使能McBSP外设低速时钟,使能SPI外设低速时钟,使能eCAN外设低速时钟,使能ADC外设高速时钟,.,2.4.4看门狗定时器及其应用,F2812看门狗定时器，当8位的看门狗计数器计数到最大值时，看门狗模块产生一个输出脉冲(512个振荡器时钟宽度)。如果不希望产生脉冲信号，用户需要屏蔽计数器，或用软件周期向看门狗复位控制寄存器写“0 x55+0 xAA，该寄存器能够使看门狗计数器清零。,.,1.看门狗计数寄存器WDCNTR(WatchdogCounterRegister),反映看门狗计数器当前计数值在时钟WDCLK的控制下连续加1计数如果计数器到达最大值0 x00FF，则看门狗触发一次复位或中断事件如果向WDKEY（看门狗复位寄存器）写入0 x55+0 xAA，将使计数器清零。,.,2.看门狗复位寄存器WDKEY(密钥寄存器)(WatchdogResetKeyRegister,依次写入0 x55+0 xAA，将使WDCNTR计数器清零。写其他值会立即使看门狗触发一次复位事件。,.,3.看门狗控制寄存器WDCR,.,0使能看门狗1禁止看门狗,3.看门狗控制寄存器WDCR,必须写101b，写其他任何值都会引起器件内核的复位（如果看门狗已经使能）,.,3.看门狗控制寄存器WDCR,1表示看门狗触发了一次复位事件0表示上电复位或外部复位事件用户只有写1才能使该位清0，写0无影响,.,使能,.,以下三种事件可以使看门狗产生脉冲信号（1）未及时“喂狗”，使8位看门狗计数器溢出（2）错误的“喂狗”方式，未正确对看门狗复位寄存器写入“0 x55+0 xAA”（3）对看门狗控制寄存器WDCR的WDCHKD位（D5D3）写入“101B”,.,例2-4-1中看门狗的设置,EALLOW;SysCtrlRegs.WDKEY=0 x0055;SysCtrlRegs.WDKEY=0 x00AA;EDIS;/关闭看门狗子程序，在初始系统时，或者用户不想使用看门狗，可以调用该程序voidDisableDog(void)EALLOW;SysCtrlRegs.WDCR=0 x0068;EDIS;,看门狗复位寄存器WDKEY写“密钥”,看门狗控制寄存器WDCR0 x0068=0000000001101000B,D6=1禁止看门狗D5D3=101D2D0=000，WDCLK=OSCCLK/512/1,.,例2-4-3中看门狗的设置,EALLOW;SysCtrlRegs.WDCR=0 x0028；/使能看门狗EDIS;,D6=0使能看门狗D5D3=101D2D0=000，WDCLK=OSCCLK/512/1,看门狗控制寄存器WDCR0 x0028=0000000000101000B,.,2.4.3定时器及其应用,F2812有3个32位CPU定时器(TIMER0/1/2)：定时器0用户可以在应用程序中使用。定时器1和定时器2预留给实时操作系统使用(例如DSPBIOS)。,.,定时器计数寄存器,定时器周期寄存器,定时器控制寄存器,定时器预定标寄存器,.,1.定时器计数器TIMERxTIM/TIMERxTIMH,低16位,高16位,1.CPU定时器计数器寄存器TIMH:TIM。TIM寄存器保存当前定时器计数器的低16位，TIMH寄存器保存当前定时器计数器的高16位。,2.每隔（TDDRH:TDDR+1）个时钟脉冲TIMH:TIM减1，直到减1为0时，被自动重装载（PRDH:PRD）寄存器保存的周期值，并产生定时器中断信号,.,2.定时器周期寄存器TIMRxPRD/TIMRxPRDH,低16位,高16位,1.CPU定时器周期寄存器PRDH:PRD。PRD寄存器保存周期值的低16位，PRDH寄存器保存周期值的高16位。,2.当TIMH:TIM递减到0时，在下次定时周期开始之前，TIMH:TIM寄存器将自动重新装载PRDH:PRD寄存器保存的周期值。,.,3。定时器控制寄存器TIMERxTCR0,TCR功能：控制定时器模式重新加载定时器启动和停止定时器,.,CPU定时器中断标志位当定时器计数器减到0时，TIF=1,CPU