DSP控制器汇编语言程序设计

1、DSP 控制器汇编语言程序设计摘 要：在当今的数字化时代背景下，DSP 控制器在数字信号处理中起着重要的作用。本论文概括介绍了TMS320C6XDSP 的硬件结构，并对TMS320C6XDSP 的汇编语言指令系统做了重点说明。在具备以上知识的基础上，详细介绍了基于DSP 的高速数据采集和IIR 数字滤波器在DSP 上的实现，通过这两个应用实例了解DSP 汇编语言程序开发的方法。关键字： TMS320C6X DSP 汇编语言 IIR数字滤波器 高速数据采集Abstract ：In digitized time ,DSP plays an important role in the digital

2、 signal processing. This paper summarily describes the hardware structure of the TMS320C6XDSP,and It introduced in detail the assembly language introductions.On the basis of having all above knowledge, a high speed data acquisition system based on DSP and using DSP to IIR Digital filter design was i

3、ntroduced,in order to understand the DSP assembly language program development method.Keyword: TMS320C6X DSP the assembly language IIR Digital filter designa high speed data acquisition system前言数字信号处理是一种将现实世界中的连续信号转换为计算机能够处理的信息的过程。比如人们说话的声音，这就是一个连续信号, 除此之外，现实生活中还有很多这样的信号，比如光、压力、温度等等。这些信号通过一个模拟向数字的转换

4、过程(称之为AD ，变成数字信号送给处理器，进行数字计算，处理结束后，再把结果通过数字向模拟的转换过程重新变成连续信号(称之为DA 。用一般的通用微处理器可以完成这些工作，但是面临的问题是满足如此高的计算速度，就很难保证耗电量很低，更难保证价格足够便宜。因此，另一种微处理器应运而生：数字信号处理器，简称DSP 。在当今的数字化时代，DSP 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。未来10年，全球DSP 产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP 芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心，

5、将会越来越受到业界的青睐。因此，开发应用DSP 及其软件是当今科学和社会发展的需要。而DSP 芯片的最大优越性在于其具有可重复编程的能力。将各种不同应用的数字信号处理技术以及软件的形式下载到DSP 芯片中，可以实现相应的通信和控制功能。DSP 的发展和应用使得软件开发和硬件设计变得相对独立，DSP 是数字信号处理的核心， DSP硬件系统具有灵活的可编程性。对于DSP 的程序员来说，主要的DSP 应用程序都是用汇编语言写的（至少部分是汇编语言优化的）。这里有两个理由：首先，大多数广泛使用的高级语言，例如C ，并不适合于描述典型的DSP 算法。其次，DSP 结构的复杂性，如多存储器空间、多总线、不

6、规则的指令集、高度专门化的硬件等，使得难于为其编写高效率的编译器。因此，汇编语言程序设计是DSP 应用软件设计的基础。汇编语言是一种利用DSP 处理器所有硬件特性并能直接控制硬件的程序设计语言，是被实践证明了的开发硬件系统最优秀的语言。采用汇编语言开发，可合理地应用芯片提供的硬件资源，其代码效率高、占用资源少、程序执行速度快。诸多优点，使汇编语言受到广大专业硬件程序设计人员的青睐。汇编语言直接描述机器指令，比机器指令容易记忆和理解。通过学习和使用汇编语言，能够感知、体会、理解机器的逻辑功能，向上为理解各种软件系统的原理，打下技术理论基础；向下为掌握硬件系统的原理，打下实践应用基础。学习汇编语言

7、是我们理解整个DSP 处理器的最佳起点和最有效途径。因此DSP 控制器汇编语言程序设计是当今软件设计领域中系统编程人员密切关注的研究课题之一。1 DSP简介和结构特点DSP 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。TMS320C6x 核心CPU 由32个32比特字长的通用寄存器和8 个功能单元组成（2个乘法器和6个算术逻辑单元），故而可以在一个时钟周期中完成8条指令。它支持8/16/32比特的数据格式，并为声音合成或其它增强运

8、算提供了对40比特数据算术运算的支持。TMS320C6x 拥有大容量的片内RAM （64KB 的数据存储器的64KB 的程序存储器），并通过32比特的EMIF 支持SDRAM 、SBSRAM 、SRAM 以及其它的非同步存储器。此外TMS320C6x 还提供了多通道的DMA 操作，用以相对CPU 进行后台的数据存取，DMA 的辅助通道还提供了对主机端口界面（HPI ）的支持，主机可以通过HPI 异步地访问TMS320C6x 内外存储器及外围设备。C6x 还为通信提供两个多通道、多缓冲的串行口。此外，TMS320C6x 也和一般的DSP 一样具备较完善的中断处理机制、定时器结构，并可以以不同的方

9、式启动系统。2 DSP的硬件结构和片内外设TMS320C6000 的CPU 有两个数据通道A 和B ，每个通道有16个32位字长的寄存器（A0A15，B0B15），四个功能单元（L ，S ，M ，D ），每个功能单元负责完成一定的算术或者逻辑运行。A 、B 两通道的寄存器并不是完全共享，只能通过TM320C6000提供的两个交换通道1X 、2X ，才能实现处理单元从不同通道的寄存器堆那里获取32位字长的操作数。TMS320C6x 系列DSP 内部集成的外围设备也非常丰富：具有4 个独立通道的DMA 控制器，外部存储器接口（EMIF ），主机接口（HPI ），扩展总线（XBUS ），多通道缓冲串

10、口（MCBSP ），定时器等。3 DSP汇编语言程序设计3.1 DSP系统设计在DSP 系统设计中，应当先进行系统的总体设计。首先采用高级语言或Matlab 等对算法进行仿真，确定最佳算法并初步确定参数。对系统中的哪些功能用软件实现，哪些功能用硬件实现进行初步的分工。完成总体设计以后，就可以进入软硬件设计阶段。这里介绍软件设计的过程，如图所示。 3.2 DSP汇编语言的特点汇编语言(Assembly Language 是面向机器、功能很强的程序设计语言, 也是利用DSP 处理器所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。汇编语言的主要优点是占用资源少、程序执行效率高。在对速度有极高要求的场合（如DSP

11、 处理器的高速图像采集和图像解压缩），目前主要还要用汇编写程序。汇编语言正是以其“体积”小和效率高而受到专业硬件程序设计人员的青睐，是被实践证明了的开发硬件系统最优秀的语言。3.3 DSP指令系统C6000指令的寻址模式比较单一，只有间接寻址模式，即以通用寄存器作为基址，而且偏移地址可以为通用寄存器或常数。在存储器地址计算时，可以采取两种方式：一种是线性寻址，即偏移量经过1、2、4、8（分别对应字节、半字、字和双字寻址）处理后直接加到基址上；另一种是循环寻址，即偏移量在经过1、2、4、8（分别对应字节、半字、字和双字寻址）处理后，还要以循环缓冲区的长度取模数后加到基址上。由AMR 寄存器选择是

12、线性寻址还是循环寻址，并指定循环缓冲区的长度。C6000汇编代码的基本形式为：标号 : 并行符号 条件 指令 功能单元 操作数 ；注释C6000指令的执行具有延迟间隙（Delay Slots ）。延迟间隙在数量上等于指令的源操作数被读取直到执行的结果可以被访问所需要的指令周期数。延迟间隙等于一个指令的执行或结果获得的潜在周期。所有TMS320C62X 系列和TMS320C67X 系列DSPs 指令都有一个功能单元潜在周期，这意味着每个周期均可有一条新指令在功能单元中开始。汇编代码的指令包括伪指令和命令助记符。一 汇编器伪指令是汇编语言程序的一个重要内容，它给程序提供数据并控制汇编过程。汇编器伪

13、指令可完成以下工作：将代码和数据汇编进指定的段；在存储器中为未初始化的变量保留空间；控制是否产生清单文件；初始化存储器；汇编条件代码块；声明全局变量；为汇编器指定从中可以获得宏的库；考察符号调试信息。下面对一些常用的伪指令的使用方法进行分类说明。（1）定义段的伪指令（2）初始化常数的伪指令（3）对准段程序计数器的伪指令.align 伪指令将段程序计数器对准1字到128字的边界。二 命令助记符是真正的处理器命令，它执行实际的程序操作。它包括算术操作指令、逻辑操作指令、程序控制指令和加载存储指令四大类，详细的指令形式和执行操作分别介绍如下：a 、算术操作指令C6X 的算术指令很丰富，而且运算功能强

14、大。包括取绝对值指令、加法指令、减法指令、乘法指令、比较类指令以及特殊应用指令。（1）取绝对值类指令ABS src2,dst ;ABS(src2dst, 取src 的绝对值放入dst 中。（2）加/减法类指令这里只对加法类指令详细介绍：不带饱和的有符号或者无符号的整数加法指令ADDUADDU src1, src2,dst ;src2被加到src1上，结果保存到dst 中。使用寻址模式的整数加法指令ADDAB/ADDAH/ADDAWADDAB/ADDAH/ADDAW src2, src1,dst ;src1分别按字节（1，B ）、半字（2，H ）或字（4，W ）寻址模式与src2相加，结果放到d

15、st 中。如果src2为A4A7或B4B7，src1还可以按循环寻址模式（ARM 指定）与src2相加。（3）乘法类指令MPY两个低16位的有符号或无符号整数相乘指令MPYMPYU/US/SU src1,src2,dst源操作数src1和src2相乘，结果放在目标寄存器dst 中。默认情况下，源操作数为无符号数。后缀U 表示两个无符号数相乘，US 表示src1是无符号而src2是有符号数，SU 反之。一个高16位和一个低16位的有符号或无符号整数相乘指令MPYHLU/ MPYHULS/MPYHSLU src1,src2,dst两个高16位的有符号或无符号整数相乘指令MPYH （U/US/SU）

16、src1,src2,dst一个低16位和一个高16位的有符号或无符号整数相乘指令MPYLH （U ）/MPYLUHS/MPYLSHU src1,src2,dstb 、 逻辑操作指令逻辑运算指令包括与或异或、移位指令，分别叙述如下。（1）位与指令ANDAND src1, src2,dst ;将操作数src1和src2进行位与运算，结果保存到dst 中。（2）位清零指令CLRCLR src2,csta,cstb,dst或者CLR src2,src1,dstsrc2操作数中，由csta 和cstb 指定的字段被清零。csta 和cstb 可以是常数，也可以由scr1寄存器的低10位说明，0位4位代表

17、cstb 的值，5位9位代表csta 的值。csta 指明src2要清零的最低位，cstb 指明src2要清零的最高位。换句话说，csta 和cstb 分别代表 src2中要清零字段的起始和结束位置。（3）移位类指令 向左移位指令SHLSHL src2,src1,dst源操作数src2向左移位，移位的个数为源操作数src1中的值，结果保存在目标寄存器dst 中。向右移位指令SHRSHR src2,src1,dst源操作数src2向右移位，移位的个数为源操作数src1中的值，结果进行符号扩展保存在目标寄存器dst 中。逻辑右移位指令 SHRUSHRU src2,src1,dst源操作数src2向

18、右移位，移位的个数为源操作数src1中的值，结果进行零扩展保存在目标寄存器dst 中。c 、 程序控制指令程序控制指令包括跳转指令、中断返回指令和空操作指令，分别叙述如下。(1跳转类指令使用位移跳转指令BB label一个21位的常数左移2位，与包含跳转指令的取指包中第一条指令的地址相加，结果保存在程序取指包计数器（PFC ）中。编译器和连接器会根据下列公式自动地计算cst 的值：cst=(label-PCE12使用寄存器跳转指令BB src2Src2在PFC 寄存器中。从中断返回的指令B IRP ；IRP PFC ，PGIE GIE ，从可屏蔽中断返回B NRP ；NRP PFC ，1NMI

19、E ，从不可屏蔽中断返回（2）空操作类指令空操作指令NOPNOP .count源操作数src 被编码为count-1。在src+1个指令周期中，CPU 没有任何操作。其中count 的最大值是9。多个空操作指令IDLEIDLE 指令执行无限多个NOP ，直到遇到中断服务或者一个跳转指令发生时才停止空操作。d 、 加载存储指令加载存储指令是把源操作数从源存储器送到目的操作数的存储器中。包括从存储器取数指令、向存储器存数据指令和转移类指令等。（1）从存储器取数指令LDBU/LDHU/LDWLDB/LDH/LDW 间接寻址，dstLDBU/LDHU/LDW指令可以从存储器读取有符号或无符号数，其中地

20、址偏移量可以是5位无符号数、寄存器偏移或者15位无符号数。（2）向存储器存数据指令STB/STH/STW与取数据指令类似，向存储器存数据指令的偏移量也可以是5位无符号数、寄存器偏移或者15位无符号数。STB/STH/STW src, *+baseRoffsetR或STB/STH/STW src, *+B14/B15ucst15（3）转移类指令将数据从一个寄存器转移到另一个寄存器指令 MVMV src,dst将数据在控制寄存器和通用寄存器之间转移指令MVCMVC src2,dst注意：使用MVC 指令向ISR 或ICR 寄存器中写入数据时会有一个延迟间隙。 将一个16位有符号数转移到通用寄存器并

21、且进行符号扩展指令MVKMVK cst,dst将一个16位常量进行符号扩展，结果保存到目标寄存器中。将一个16位常量转移到通用寄存器的高16位指令MVKH/MVKLHMVKH/MVKLH cst,dst使用MVKH 可以将一个32位常量的高16位装载到目标寄存器中。使用MVKLH 可以将一个32位常量的低16位装载到目标寄存器中。将一个16位常量进行符号扩展转移到通用寄存器指令MVKLMVKL cst,dst4 应用程序设计4.1应用程序一：高速数据采集系统设计本系统设计的要求：实现对信号频率在30MHz 以下的模拟信号的采样，并分析信号的频谱，将频谱结果通过 USB 接口传送到计算机保存和显

22、示。由于本案例采用的是高速模数转换器，为了使处理器的速度跟上AD 的速度，DSP 每处理一批数据，在处理数据的时间内，停止对数据的采样，DSP 处理完该批数据后，然后启动 AD，开始下一批数据的采样。并且在处理数据之前将这些数据保存到FIFO 中。此外，信号处理的算法编成程序保存到外部的Flash 中，供DSP 上电读程序到其内部RAM 单元，全速运行程序。系统的基本框图由 AD、FIFO 、DSP 以及 USB 接口组成，其框图如图所示。 对于 AD 转换器，选取的标准主要决定于采样频率和位数，以及价格、供货周期、应用情况等其他因数。根据对各种 AD 芯片的查阅，选择 TI 公司的 AD 转

23、换芯片 ADS5422。根据AD 和DSP 的接口，可选择美国IDT 公司的FIFO 芯片IDT72V2113，由于有1M 多的数据量，而且IDT72V2113只有512K 9bit 的数据单元，所以必须做字长和字深扩展。根据数据的处理时间，选择TMS320C6203B 型号的DSP 。USB 选择CY7C68031。Flash 称为闪速存储器，是一种高速的、电擦除、电改写的非易失性的存储器。选择128K 8bit 的闪速存储器SST29LE010。使用TMS320C6203B 的32bit 外部扩展总线接口连接AD ；使用TMS320C6203B 的定时器输出信号TOUT0提供精确稳定的时钟

24、给AD ，控制AD 的采样频率，并且该时钟可以根据定时器参数由软件设置，增加AD 采样频率的灵活性。在DSP 内部寄存器中，将多通道缓冲串口（MBSP ）的引脚配置成通用的I/O引脚，使用DR0 、DR1以及DX0引脚读入或写入AD 的控制信号OVR 、DV 以及OE 。FIFO与TMS320C6203B 的外部扩展总线的XCE3空间，数据通过DMA 方式从FIFO 传送到TMS320C6203B 的片内ROM 。FLASH 的地址和数据总线连接到TMS320C6203B 的EMIF 接口总线上，Flash 的片选信号连接到DSP 的CE1引脚，配置成DSP 的CE1空间，此外FLASH 读写

25、信号分别连接到EMIF 接口的读写信号引脚上。TMS320C6203B 通过EMIF 接口的CE2空间对USB 进行读写操作。上电后，TMS320C6203B 进行初始化，外部扩展总线的/XCE3空间设置为同步FIFO 读模式，DMA 通道0配置为每次传输含8帧，每帧128BYTE ，同步事件设置为外部中断4，触发极性为高电平；手动启动DMA 通道0。设置DX0为低电平；随着数据不断写入FIFO ，当FIFO 中的数据量大于128Byte 时，FIFO 的确将错就错空白标志 信号 （/PAE）由低电平变为高电平，使得TDS320C6203B 的外部中断信号有效，从而触发DMA 传输；TMS320C6203B 的DMA 通道0开始通过外部扩展总线读取8*128BYTE的数据，存储于内部RAM 中，然后向TMS320C6203B 发送中断