TMS320VC5402最小系统课程设计

1、郑州轻工业学院课 程 设 计 任 务 书题目 TMS320VC5402最小系统原理图设计 专业、班级 电信112 学号 29 姓名 牛国宇 主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、 参考课本及TMS320VC5402数据手册，IS61LV6416数据手册，TPS767D318芯片数据手册，设计TMS320VC5402的最小系统。2、 设计TMS320VC5402的最小系统电路图纸，要求图纸具有TMS320VC5402的基本电路（复位电路、时钟电路、功能配置引脚连接等），具有64K字程序空间，64K字数据空间，和DSP的供电电路（输入电源DC59V）。3、 要求设计上述电路的原理图。4、 设计完

2、成后要求每人上交一份课程设计说明书，说明书要求包含有课程设计任务书，设计原理说明，所用芯片简要说明，设计图纸等。说明书要求字迹工整、叙述清楚、图纸齐备。5、 发挥部分，如时间可行，依据原理图设计上述电路的印制板图。6、 时间：二周。完 成 期 限： 指导教师签名： 杜海明 课程负责人签名： 胡智宏 2015 年 01 月 12 日摘 要介绍了基于DSP的最小应用系统的整体设计过程。本次课程设计的题目是DSP最小系统的设计，DSP最小系统可应用于简单的工程研究和应用开发。本文中所设计的DSP最小系统是由TI公司的定点DSP芯片TMS320VC5402及其相关电源和时钟电路、片外扩展存储器、标准J

3、TAG结口构成。本次课程设计中原理图制作用的是Altium designer 10软件绘制的。关键词 DSP 最小系统 JTAG目 录1 DSP的概述11.1 DSP的应用11.2 DSP的特点与优点11.3 DSP的发展现状和发展趋势22 DSP最小系统主要芯片52.1 主控芯片TMS320VC5402的简介52.2 SRAM芯片IS61LV6416的简介62.3 电源芯片TPS767D31863 TMS320VC5402的最小系统设计83.1 系统的基本组成83.2 单元功能模块设计83.2.1 电源产生电路设计83.2.2 TMS320VC5402的供电设计93.2.3 复位电路的设计1

4、03.2.4 时钟电路的设计113.2.5 JTAG仿真接口的设计113.2.6 存储器扩展电路设计123.2.7 存储器选择电路的设计14总结15参考文献16附录 最小系统PCB图及原理图171 DSP的概述1.1 DSP的应用DSP（Digital Signal Processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益

5、重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。在近20多年时间里，DSP芯片的应用越来越广泛，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。DSP主要应用市场为3C领域，占整个市场需求的90%。数字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域之一。由于DSP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GSM、CDMA等全数字蜂窝电话网。在Modem器件中，DSP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

6、SP是PC领域的主流产品。以XDSL Modem为代表的高速通信技术与MPEG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CDSP（可定制DSP）的巨大作用。预计在今后的PC机中，一个DSP即可完成全部所需的多媒体处理功能。DSP也是消费类电子产品中的关键器件。由于DSP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DSP，一种用于JPEG标准的静态图像数据处理；另一种用于动态图像数据处理。1.2 DSP的特点与优点DSP芯片是模拟信号变换成数字信号以后，进行高速实时处理的专用微处理器，其处理速度比最快的CPU

7、还快10-50倍，具有处理速度高、功能强、性能价格比好以及速度功耗比高等特点，被广泛应用于具有实时处理要求的场合。DSP芯片具有以下特点：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）片内具有快速RAM，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）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。DSP系统以DSP芯片为基础，具有以下优点：1）高速性，DSP运行速度高达1000M

8、IPS以上。2）编程方便，可编程DSP可使设计人员在开发过程中，灵活方便的对软件进行修改和升级。3）稳定性好，DSP系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响比较小，可靠性高。4）可重复性好，数字系统的性能基本上不受元器件参数性能的影响，便于测试、调试和大规模生产。5）集成方便，DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。6）性价比高。1.3 DSP的发展现状和发展趋势DSP芯片诞生于20世纪70年代末，至今已经取得了突飞猛进的发展。其发展现状主要有以下几个发面：（1）制造工艺。普遍采用0.25um或0.18um亚微米的CMOS工艺。引脚从原来的40个增加到200个以上。需要设计的

9、外围电路越来越少，成本、体积和功耗不断下降。（2）存储器容量。芯片的片内程序和数据存储器可达到几十K字，而片外程序存储器和数据存储器可达到16M*48位和4G*40位以上。（3）内部结构。芯片内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，是DSP的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。（4）运算速度。指令周期从400ms缩短到10ns以下，其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。（5）高度集成化。集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP芯片已有较大的发展和应用。（6）运算精度和动态范围。DSP的字长从

10、8位已增加到32位，累加器的长度也增加到40位，从而提高了运算精度。同时采用超长指令集（VLIW）结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动态范围。（7）开发工具。具有较完善的软件和硬件开发工具，如软件仿真器Simulator、在线仿真器Emulator、C编译器和集成开发环境CCS等，给开发应用带来很大方便。CCS是TI公司针对本公司的DSP产品开发的集成开发环境。它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C+和汇编的混合编程。开放式的结构允许外扩用户自身的模块。其DSP技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：（1）DSP的内核结构将进一步改善。多通道结构和单指令多重数据（S

11、IMD）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位。（2）DSP和微处理器的融合。微处理器MPU是一种执行智能定向控制任务的通用处理器，它能很好地执行智能控制任务，但对数字信号的处理能力很差。DSP处理器具有高速的数字信号处理能力。在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能。因此，将DSP与微处理器结合起来，可简化设计，加速产品开发，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。（3）DSP与高档CPU的融合。大多数高档MCU，如Pentium和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。在DSP中融入高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，结构规范，利于编程

12、，不用进行指令排队，是DSP性能大幅度提高。（4）DSP和FPGA的融合。FPGA是现场可编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。（5）DSP和SOC的融合。SOC是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括DSP和系统接口软件等。（6）实时操作系统RTOS和DSP的结合。随着DSP的处理能力的增强，DSP系统越来越复杂，使得软件的规模越来越大，往往需要运行多个任务，各任务间的通信、同步等问题就变得非常突出。随着DSP性能和功能日益增强，对DSP应用提供RTOS的支持已成为必然的结果。（7）DSP的并行处理结构。为了提高DSP芯片的运算速度，各DS

13、P厂商纷纷在DSP芯片中引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的DSP与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率。（8）功耗越来越低。随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展，DSP芯片内核的电源电压将会越来越低。2 DSP最小系统主要芯片2.1 主控芯片TMS320VC5402的简介TMS320VC5402是TI公司的第七代DSP芯片之一，它具有优化的CPU结构，内部有1个40位的算术逻辑单元(包括一个40位的桶式移位寄存器和2个独立的40位累加器)，一个17×17的乘法器和一个40位专用加法器，16K字RAM空间和4K×16bit ROM 空间。

14、共20根地址线，可寻址64KB数据区和1MB程序区，具有64KI/O空间。处理速度为 l00MIPS，速度高、功耗低。TMS320VC5402 采用修正的哈佛结构和8总线结构(4条程序/数据总线和4条地址总线)，以提高运算速度和灵活性。在严格的哈佛结构中，程序存储器和数据存储器分别设在两个存储空间，这样就允许取址和执行操作完全重叠。修正的哈佛结构中，允许在程序和数据空间之间传送数据，从而使处理器具有在单个周期内同时执行算术运算、逻辑运算、位操作、乘法累加运算以及访问程序和数据存储器的强大功能。与修正的哈佛结构相配合，TMS320VC5402还采用了一个6级深度的指令流水线，每条流水线之间彼此独

15、立，在任何一个机器周期内可以有16条不同的指令在同时工作，每条指令工作在不同的流水线上，使指令的执行时间减小到最小和增大处理器的吞吐量。TMS320VC5402的硬件结构具有硬件乘法器、8总线结构、功能强大的片内存储器配置和低功耗设计的特点。因此，可以进行高速并行处理；同时，集成度高可节省硬件开销，提高系统抗干扰性。它除了完成数字信号处理任务外，还可以兼顾通用单片机的操作任务。因此，它是集数字信号处理与通用控制电路于一体的，多功能低功耗微处理器。综上所述TMS320VC5402的主要特点如下：1）多总线结构，片内3套16bit数据总线CB、DB、EB和1套程序总线PB以及对应的4套地址总线CB

16、A、DBA、EBA、PBA (4套总线可以同时操作)。2）40bit的ALU(算术逻辑单元)，包含1个40bit的桶形移位器和2个40bit的累加器，1个17×17bit的乘法器和一个40bit的专用加法器，2个地址产生器，8个辅助寄存器，一个比较/选择/存储（CSSU)单元。3）片内4k×16bit的ROM，16k×16bit的DARAM。4）程序空间扩展到1MB，数据和I/O空间各64kB，20条地址线，16条数据线。5）6级流水线完成一条指令:预取指、取指、译码、寻址、读数、执行。6）片上有JTAG仿真接口。2.2 SRAM芯片IS61LV6416的简介IS

17、SI的IS61LV6416是一个1M容量，结构为64K*16位字长的高速率SRAM。IS61LV6416采用ISSI公司的高性能CMOS工艺 制造。高度可靠的工艺水准加上创新的电路设计技术，使得IS61LV6416的存取时间可快至8ns，兼具低功耗的优点。当/CE处于高电平（未选中）时，IS61LV6416进入待机模式。 在此模式下，功耗可降低至CMOS输入标准。使用IS61LV6416的低触发片选引脚（/CE）和输出使能引脚（/OE），可以轻松实现存储器扩展。低触发写入使能引脚（/WE）将完全控制存储器的写入和读取。 同一个字节允许高位（/UB）存取和低位 （/LB）存取。IS61LV641

18、6芯片的主要特性有以下几点：（1）高速率。存取时间只需8-12ns，全静态操作，不需要时钟和刷新。输入输出兼容TTL标准，独立的3.3V供电。三态输出，高字节数据和低字节数据分别控制。（2）低功耗操作。（3）工业标准。无铅环保。可选工业级温度。2.3 电源芯片TPS767D318TI DSP上有5类典型电源引脚；CPU核电源引脚、I/O电源引脚、PLL电路电源引脚、Flash编程电源引脚、模拟电路电源引脚。TI公司的DSP家族一般要求有独立的内核电源和I/O电源，并不要求有这两种电源之间有特殊的上电顺序。但从系统级考虑，总线竞争会要求按顺序上电。通常情况下，要求CPU内核电源先于或同步于I/O

19、上电，二者时间相差不能太长。TMS320VC5402 DSP 的核电压为1.8V，I/O电压为3.3V。因此需要设计基于TPS767D318的TMS320VC5402 DSP的电源电路。TPS767D318的主要特点及原理图如图所示：（1）具有可单独供电的双路输出，一路固定输出电压为3.3V，另一路固定输出电压为1.8V；（2）每路输出电流的范围在0-1A；（3）具有超低的典型静态电流（85uA），器件无效状态时，静态电流仅为1uA；（4）每路调整器各有一个开漏复位输出，复位延迟时间为200ms；（5）28引脚的TSSOP PowerPAD封装形式，可保证良好的功耗特性；（6）在超过负荷和温度

20、的情况下，可以有2%的容差；（7）每路调整器都具有温度自动关闭保护功能。3 TMS320VC5402的最小系统设计3.1 系统的基本组成一个DSP硬件系统要能够正常地运行程序，完成简单的任务，并能够通过JTAG被调试，它的最小系统应该包括DSP芯片、供电电路、时钟电路、复位电路、JTAG仿真调试接口电路以及存储器扩展电路等模块构成。基于TMS320VC5402的DSP最小系统的系统框图如图3-1所示：图3-1 DSP最小系统框图3.2 单元功能模块设计3.2.1 电源产生电路设计此电路主要功能是将220V的交流电经变压器降成9V交流电，通过整流桥整流、电容滤波、再通过三端集成稳压器LM7805

21、，输出稳定的+5V直流电，为TPS767D318提供+5V电源。电路图如图3-2所示：图3-2 电源产生电路3.2.2 TMS320VC5402的供电设计TMS320VC540采用了双电源供电机制，以获得更好的性能，其工作电压为3.3V和 1.8V。其中，1.8V主要为该器件的内部逻辑提供电压，包括CPU和其他所有的外设逻辑。与3.3V供电相比，1.8V供电大大降低功耗。外部接口引脚仍然采用3.3V电压，便于直接与外部低压器件接口，而无需额外的电平变换电路。通常情况下，要求CPU内核电源先于或同步于I/O口上电，所以传统的线性稳压器（如78XX系列）已经不能满足要求，选用具有双路输出电压的TP

22、S767D318芯片来设计其电源系统.其电路图如图3-3所示：图3-3 TMS320VC5402电源设计3.2.3 复位电路的设计复位电路是控制系统不可缺少的组成部分，常用的复位电路有上电复位、手动复位和看门狗复位等。前两种复位方式属于硬件复位，看门狗复位属于软件复位。本设计采用了手动复位和看门狗复位两种方式。通过按键实现手动复位的操作如下：当按键按下时，将电容C12上的电荷通过按钮串接的电阻R3释放掉，使电容C12上的电压降为0。当按钮松开时，由于电容C12上的电压不能突变，所以通过电阻R2进行充电，充电时间由R2和C12的乘积值决定，一般要求大于5个外部时钟周期，可根据具体情况选择。C54

23、02芯片复位引脚，低电平有效，通过电容的这一充放电过程，就可以实现手动按钮复位。看门狗电路除了具有上电复位功能外，还起着监视系统运行的作用。系统在运行过程中通过I/O输出给看门狗的输入端WDI脚正脉冲（频率不小于10HZ），若两次脉冲的时间间隔不大于1.6秒，则WDO引脚永远为高电平，说明DSP程序执行正常。但如果程序跑飞，就不可能按时通过I/O口输出发出正脉冲。当两次发出正脉冲的时间间隔大于1.6秒时，看门狗便使WDO置为低电平，将使系统复位。两模块的连接方式如图3-4所示：图3-4 复位电路3.2.4 时钟电路的设计时钟电路用来为TMS320VC5402芯片提供时钟信号，由一个内部振荡器和

24、一个锁相环PLL组成，可通过晶振或外部的时钟驱动。为DSP芯片提供时钟一般有两种方法：一种是使用外部时钟源的时钟信号，将外部时钟信号直接加到DSP芯片的X2/CLKIN引脚，X1引脚悬空。外部时钟源可以采用频率稳定的晶体振荡器，具有使用方便，价格便宜，因而得到广泛应用。另一种方法是利用DSP芯片内部的振荡器构成时钟电路，在芯片的Xl和X2/CLKIN引脚之间接入一个晶体，用于启动内部振荡器。锁相环PLL具有频率放大和时钟信号提存的作用。硬件配置PLL只需通过设定DSP的3个引脚（CLKMD1、CLKMD2和CLKMD3）的状态来选择时钟方式。根据PLL乘系数的不同组合可以得到0.25-15的3

25、1个乘系数，从而来控制时钟的工作频率。本设计的时钟电路如图3-5所示，使用DSP内部振荡器解法的时钟电路，晶振为10MHz，起振电容选用22 pF。只需硬件PLL即可使DSP工作在2.5MHz-150MHz之间的31个频率点上。图3-5 时钟电路3.2.5 JTAG仿真接口的设计目前流行的DSP都备有标准的JTAG（Joint Test Action Group）接口，主要用于在线仿真调试。5402提供了片上的JTAG接口，方便了仿真调试。使用时只需将5402的TMS、TDI、TDO、TRST、TCK、EMU0、EMUI共7个引脚接出，做成一个标准的14针插座，就可以供仿真器调试系统板。系统板

26、和仿真器之间的链接电缆长度不超过6英寸（约15.24厘米）时，5402与JTAG接口连接图如图3-6所示。其中，EMU0和EMUl是仿真信号引脚，为了在仿真器和JTAG目标系统之间提供高质量的信号，用户必须提供正确的信号缓冲，为此EMU0和EMUl必须由上拉电阻连接到VCC，以提供小于10us的信号上升时间。当5402和仿真器之间的链接电缆长度超过6英寸时，应在数据传输线上加驱动。图3-6 JTAG接口的设计3.2.6 存储器扩展电路设计TMS320VC5402片内有4k×16 bits的ROM和16 k×16 bits的DARAM。用户的程序不能直接写在片上ROM上，一般

27、来说，应该在片外扩展存储器用来存放用户的程序代码。另外，考虑到系统运行中，DSP往往要做大量的数据处理工作，经常有一些采集到的或生成的数据需要及时进行存储或调用，因此当片上16k的DARAM不够用时，需要外部扩展数据存储器。图3-7 Flash存储器的扩展目前，市场上的EPROM工作电压一般都为5V，与3.3V的DSP芯片相连时需要考虑电平转换的问题，而且体积都很大。FLASH存储器与EPROM相比，具有更高的性价比，而且体积小、功耗低、可电擦写、使用方便，并且3.3V的FLASH可以直接与DSP芯片相连。因此TMS320VC5402与74LCX16245的程序存储器扩展连接图如图3-7所示。用来扩展Flash存储器的容量。74LCX16245的地址线与数据线接至DSP的外部总线，片选信号CE接至DSP的外部程序存储器的片选信号PS，编程写信号WE接至DSP的读/写信号R/W你，输出使能信号OE接地。TMS320VC5402与IS61LV6416的扩展连接图如图3-8所示。