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文檔簡介
1、的的范德薩的地方愛的規(guī)格愛你啊好文章第3章 C54x DSP系統硬件結構 DSP芯片是一種特殊結構的微處理器,為了快速地實現數字信號處理運算,采用了流水線指令執(zhí)行結構和相應的并行處理結構,可在一個周期內對數據進行高速的算術運算和邏輯運算。本章主要介紹C54x DSP芯片的硬件結構,重點對芯片的引腳功能、CPU結構、內部存儲器、片內外設電路、系統控制以及內、外部總線進行討論。3.1 C54x DSP的基本架構TMS320 C54x DSP(簡稱C54x)是TI公司為實現低功耗、高速實時信號處理而專門設計的16位定點數字信號處理器。其內核包含在第1章已經討論過的哈佛結構和高級算術特點中。另外,C5
2、4x還具有多總線結構以及強大的片上外設,具有高度的操作靈活性和運行速度,適應遠程通信等實時嵌入式應用的需要,現已廣泛地應用于無線通信系統中。3.1.1 C54x DSP的基本結構圖一塊DSP芯片上集成CPU、片內存儲器、外圍電路、總線以及外部總線接口。圖3-1所示為TMS320C54x基本結構框圖,它包含了主要模塊和總線結構。圖3-2所示為TMS320C54x功能結構圖。與傳統微處理器相比較,DSP最顯著的結構特點是具有高效存取數據、單周期乘法器和零開銷硬件循環(huán)等。3.1.2 C54x DSP的主要特征1. 具有快速處理性能的CPU部分 CPU是DSP芯片中的核心部分,CPU內的硬件構成決定其
3、指令系統的性能。采用了流水線指令執(zhí)行結構和相應的并行處理結構,可在一個周期內對數據進行高速的算術運算和邏輯運算,TMS320C54x的CPU包括以下幾部分: (1) 先進的多總線結構,包括1條程序總線、3條數據總線、4條地址總線和外設總線; (2) 40位算術邏輯單元(ALU) ,包括1個40位的桶形移位寄存器和2個獨立的40位累加器; (3) 17×17的并行乘法器,并與1個40位的專用加法器配合,用于非流水線的單周期乘/累加操作;DSP芯片技術及工程實例第3章 C54x DSP系統硬件結構圖3-1 TMS320C54x基本結構框圖圖3-2 TMS320C54x功能結構圖 (4)
4、比較、選擇和存儲單元,用于維特比運算中的加/比較選擇; (5) 指數編碼器,可以在單周期內計算40位累加器的指數值; (6) 2個地址生成器,包括8個輔助寄存器和2個輔助寄存器算術單元; (7) 雙內核結構(只適用于C5420) . 2. 具有哈佛結構的存儲器系統 (1) 具有獨立的程序存儲器和數據存儲器,可同時訪問,使許多處理運算比傳統的馮·諾依曼結構有效得多。 (2) 具有192K字可尋址存儲空間,包括片內、外64K字程序存儲空間,片內、外64K字數字存儲空間和片外64K字的I/O空間。其中一些型號DSP的程序存儲器空間可擴展至8M字,例如TMS320C548、TMS320C54
5、9、TMS320C5402、TMS320C5410和TMS320C5420. (3) 提供一定容量的片內存儲器,片內存儲器配置因型而異,包括片內ROM和RAM,通過內部多總線,CPU可以同時、快速地訪問它們,以實現并行處理。但對于外部存儲器,DSP提供了外部接口,它與內部多總線結構復接,但外部只有一組I/O接口線,所以不能在單周期內并行實現讀寫操作。3. 片內外設和專用電路除了DSP內核外,DSP芯片上還需配置一些外設專用器件。這些器件可以與DSP內核平行操作,只占用很小的內核指令周期,依靠這些器件無縫出入DSP處理內核的能力,可大大提高DSP處理數據的能力。TMS320C54x的片內外設和專
6、用電路采用模塊化的結構設計,常見的外設包括以下幾種。 (1) 可編程軟件等待狀態(tài)發(fā)生器。 (2) 可編程分區(qū)轉換邏輯電路。 (3) 可采用內部振蕩器或外部時鐘源的片內鎖相環(huán)(PLL)時鐘發(fā)生器。 (4) 外部總線接口可以禁止或允許外部數據總線、地址總線和控制線的輸出。 (5) 數據總線具有總線保持功能。 (6) 可編程定時器。 (7) 8位并行主機接口(HPI) ,有些產品還包括擴展的8位并行主機接口(HPI8)和16位并行主機接口(HPI16) . (8) 片內的串行口按不同的型號分為全雙工串口(支持8位和16位數據傳送)、時分多路(TDM)串口和緩沖(BSP)串口。C54x系列定點DSP芯
7、片共享同樣的CPU內核和總線結構,但每一種器件片內存儲器的配置和片內外設不盡相同。表3-1列出了TMS320C54x系列DSP基本配置匯總。表3-1 TMS320C54x系列DSP基本配置匯總表型 號電壓/VcoreI/O片內存儲器RAM/KBROM/KBDAT/128K/16M2/31/28位6通道100/160144LQFP/144BGA續(xù)表型 號電壓/VcoreI/O片內存儲器RAM/KBROM/KBDAT/144BGAC54091.51.83.36432128K/16M318/16位6通道80160144LQFP/144BGAC54101.52.53.312832128K/16M318
8、/16位6通道100160144LQFP/160144LQFP/144BGA4. 指令系統在TMS320C54x的指令系統中,具有單指令重復和塊指令重復操作指令,32位長操作數指令,同時讀入2個或3個操作數的算術指令。支持存儲器塊傳送指令,能并行存儲和并行加載的算術指令,支持條件存儲指令及中斷快速返回指令。5. 執(zhí)行速度ns(對應每秒指令數分別為40/50/66/80/100MIPS) . 6. 電源和功耗TMS320C54x DSP芯片可采用5V、3V的超低電壓供電。而且其功耗可采用下降指令IDLE1、IDLE2和IDLE3來控制,以便使DSP工作在節(jié)電模式下可控制關斷CLKOUT信號。7.
9、 芯片仿真功能具有符合IEEE 1149.1標準的片內仿真JTAG接口,其主要功能是用于與主機相連接,實現芯片的仿真與測試。3.2 總線結構按照結構來區(qū)分,又可將總線分成內部總線和外部總線,本節(jié)只介紹內部總線,外部總線的結構和功能將在3.8節(jié)介紹。為了提高CPU高度的并行性,達到最大的處理能力,例如在單周期內完成算術、邏輯和位操作等運算,TMS320C54x DSP片內采用多總線結構,用8條總線,可同時對程序指令和數據進行雙訪問,這8條16位的總線包括4條程序/數據總線和4條地址總線。另外,CPU訪問片內外設是通過在片雙向總線來實現的,如圖3-2所示的功能結構圖。正是這種改進型哈佛總線結構,形
10、成了支持高速指令執(zhí)行的硬件基礎。 (1) 程序總線(PB) : 傳送來自程序存儲器的指令代碼和立即數。 (2) 3組數據總線(CB、DB和EB): 負責將片內的各種元器件相互連接,如CPU、數據地址產生邏輯、程序地址產生邏輯、片內外設和數據存儲器等。其中,CB和DB總線傳送從存儲器讀出的數據,即“讀”操作使用的數據總線;EB總線傳送向存儲器寫入的數據,即“寫”操作使用的數據總線。 (3) 地址總線(PAB、CAB、DAB、EAB) : 負責傳送執(zhí)行指令所需的地址。 (4) 在片雙向總線: TMS320C54x用一組雙向的片內總線訪問片內外設,這組總線輪流使用DB和EB與CPU連接。用這組總線進
11、行讀/寫操作需要兩個或更多的周期,具體所需周期數取決于片內外設的結構。TMS320C54x能利用兩個輔助寄存器算術單元(ARAU0和ARAU1)在同一個周期內生成兩個數據存儲器地址,可實現片內RAM 的雙訪問功能。表3-2列出了各種不同類型的總線訪問形式。從表中看到,C54x器件在任何給定的機器周期內可執(zhí)行4個并行存儲器操作: 1次取指、讀取2個操作數和寫1個操作數。或通過CB、DB、PB總線同時取操作數,可在一個機器周期內完成從數據存儲器讀雙數據同時從程序存儲器讀一個常數的3個操作數讀取,而片上外設的讀、寫則是通過DB和EB總線輪流與CPU連接完成,所以使用這組總線進行讀/寫操作需要兩個或更
12、多的周期。表3-2 C54x DSP讀/寫操作占用總線情況讀/寫方式地 址 總 線PABCABDABEAB程序總線PB數 據 總 線CBDBEB程序讀程序寫單數據讀雙數據讀32位長數據讀(hw)(lw)(hw)(lw)單數據寫數據讀/數據寫雙數據讀/系數讀外設讀外設寫3.3 存儲器結構TMS320C54x DSP存儲器采用改進型哈佛結構。與馮·諾依曼結構的存儲器相比較,哈佛結構的程序/數據總線和空間是分開的,馮·諾依曼結構的程序/數據總線和空間是合二為一的,而改進型哈佛結構的部分程序/數據空間可交叉,因此提供了高度的并行性。3.3.1 DSP存儲器空間的劃分C54x DSP
13、的存儲空間共192K字,由3個獨立可選的存儲空間組成,包括64K字的程序存儲空間、64K字的數據存儲空間和64K字的I/O空間。其中有些型號芯片的程序空間還可以進一步擴展。存儲器分為片內存儲器和片外存儲器。片內存儲器有3種類型: 雙訪問RAM (DARAM) 、單訪問RAM(SARAM)和ROM. RAM總是安排到數據存儲空間,但也可以配置在程序存儲空間。C54x片上還有26個映射到數據存儲空間的CPU寄存器和外設寄存器。ROM一般映射到程序存儲空間,也可以部分地映射到數據存儲空間。在TMS320C54x DSP中,片外存儲器主要包括程序存儲器、數據存儲器、I/O空間。與片外存儲器相比,片內存
14、儲器不需插入等待狀態(tài),成本低,功耗低。但是,片外存儲器具有尋址較大存儲空間的能力,而片內存儲器尋址存儲空間較小。C54x通過設置處理器工作方式狀態(tài)寄存器(PMST)中的3個狀態(tài)位MP/MC、OVLY和DROM(詳見3.4.1節(jié)),可以很方便地“使能”和“禁止”程序與數據空間中的片內存儲器。 (1) MP/MC位MP/MC位決定是否使用片內ROM. 若MP/MC=0,稱微計算機模式,片內ROM使能并能夠訪問。若MP/MC=1,稱微處理器模式,表示片內ROM無法訪問。 (2) OVLY位OVLY位決定是否讓數據存儲器映射到程序存儲器空間。若OVLY=0,片內RAM只映射到數據存儲空間。若OVLY=
15、1,片內RAM同時映射到程序和數據存儲空間。 (3) DROM位DROM位決定是否讓部分程序存儲器映射到數據存儲器空間。若DROM=0,片內ROM不映射到數據存儲空間。若DROM=1,部分片內ROM映射到數據存儲空間。DROM位的用法與MP/MC位的用法無關。不同的C54x的數據和程序存儲區(qū)分配并不完全相同。圖3-3(a)所示為TMS320C549存儲器空間分配圖,圖3-3(b)所示為TMS320C5416存儲器空間分配圖,從圖中可以看到在任何一個存儲空間內,RAM、ROM都可以駐留在片內或者片外,但需要通過對3個狀態(tài)位MP/MC、OVLY和DROM的設置來配置。圖3-3 存儲器空間分配圖圖3
16、-3(續(xù)) 所有C54x DSP器件提供一定數量的片內ROM和RAM, DSP有兩種類型的RAM,包括雙尋址RAM (DARAM)和單尋址RAM (SARAM) 。表3-3列出了不同C54x系列DSP 片內各種存儲器的配置。1. 片內ROM片內ROM是程序存儲器的一部分,對某些DSP器件來說,也可是數據存儲空間的一部分,如C5402。當MP/MC設置為0時,可以映射到程序存儲空間的ROM為4KB;當DROM設置為1時,可以映射到數據存儲器空間的ROM為4KB。不同芯片的片內可用ROM容量是不一樣的,見表3-3。對于ROM少的DSP器件(2KB) , ROM中含有自舉加載器,在程序啟動時,將用戶
17、的代碼從慢的外部ROM、串口,或JTAG加載到內部存儲器,這樣可以加快程序的運行速度。對于具有較大ROM的器件,部分ROM可以映射到數據和程序空間,用戶提供的代碼或數據以目標文件格式寫入ROM, TI公司可以將程序掩膜到該ROM中。2. 片內雙尋址RAM(DARAM)在一個指令周期內只能進行一次讀或寫操作。SARAM也由塊組成,與DARAM一樣,SARAM總是映射在數據存儲器空間,用于存儲數據,當OVLY設置為1時,也可同時映射在程序存儲器空間,用于存儲程序代碼。 4. 存儲器映射寄存器CPU內部專用寄存器和片上外設寄存器總是映射在數據存儲器的0頁上,對它們的訪問很簡單,存儲器映射訪問提供了一
18、種方便途徑,用于寄存器的存儲和恢復,也用于累加器與其他寄存器之間的信息傳遞。3.3.2 程序存儲器程序存儲器空間存放要執(zhí)行的指令和執(zhí)行中所用的系數表。C54x DSP可以尋址64 K字的程序存儲空間。但也有一些型號的DSP可以擴展到8 M字,如C548、C549、C5410、C5402和C5420。下面分別講述程序存儲器的組織、片內ROM 的安排、擴展程序存儲器等內容。1. 程序存儲器空間的配置程序存儲器空間由片內和片外程序存儲器組成。如前所述,片內程序空間的組織主要通過設置MP/MC、OVLY位來實現。表3-4列出了各種C54x芯片片內程序存儲器配置情況。MP/MC和OVLY 位決定了哪個片內存儲器在程序空間中可用。例如,當OVLY設置為1時,DARAM或SARAM才能被配置到程序存儲器空間;而只有當MP/MC設置為0時,片內ROM才可用。MP/MC是DSP的一個外部引腳,設置MP/MC狀態(tài)有兩種方法,一種是直接給MP/MC引腳低電平或高電平,當DSP器件復位時,MP/MC引腳的邏輯狀態(tài)被傳送到PMST寄存器的MP/MC位。另一種方法是用戶通過軟件來設置或清除PMST寄存器的MP/MC位,以便禁止或使能片內ROM。如果片內存儲器配置到程序存儲器中,則芯片在訪問程序存儲器時會自動訪問這些存儲單元。當PAGEN產生了一個不
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