基于DSP最小应用系统设计实现-毕业论文

1第一章绪论1.1本论文的背景随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术已经发展成为一门关键的技术学科，而DSP芯片的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能，这一方面促进了数字信号处理技术的进一步发展,也使数字信号处理的应用领域得到了极大的拓展。在近20年里，DSP芯片已经在通信和家用电器等领域得到了广泛的应用。1.1.1数字信号处理器的发展状况DSP(DigitalSignalProcessing)也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器，是建立在数字信号处理的各种理论和算法基础上，专门完成各种实时数字信息处理的芯片。与单片机相比，DSP有着更适合数字信号处理的优点。芯片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，具有良好的并行特性，提供特殊的DSP指令，可以快速地实现各种数字信号处理算法[1]。DSP发展历程大致分为三个阶段：70年代理论先行，80年代产品普及，90年代突飞猛进。在DSP出现之前数字信号处理主要依靠MPU(微处理器)来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到70年代才提出了DSP的理论和算法基础。随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚通用可编程DSP芯片TI的TMS32010。DSP芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。进入80年代后期，随着数字信号处理技术应用范围的扩大，要求提高处理速度，到1988年出现了浮点DSP，同时提供了高级语言的编译器，使运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。90年代相继出现了第四代和第五代DSP器件。以DSP作为主要元件，再加上外围设备和特定功能单元综合成的单一芯片，加速了DSP解决方案的发展，同时产品价格降低，运算速度和集成度大幅提高[2]。进入21世纪，现在DSP向着高速，高系统集成，高性能方向发展。当前的DSP多数基于RISC(精简指令集计算机)结构，且进入了VLSI(超大规模集成电路)阶段。如TI公司的TMS320C80代表了新一代芯片集成技术，它将4个32位的DSP，1个32位RISC主处理器，1个传输控制器，2个视频控制器和50KbSRAM集成在一个芯片上。这样的芯片通常称之为MVP(多媒体视频处理器)。它可支持各种图像规格和各种算法，功能相当强。而第六代TMSC6000系列则是目前速度最快，性能最高的DSP芯片，该系列芯片的发展蓝图中有高至5000MIPS，3GFLOPS的处理性能。2而按照CMOS的发展趋势，DSP的运算速度提高到1000MIPS是完全有可能的。TI公司将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即TMS320C2000系列(TMS320C2x／C2xx)，TMS320C5000系列(TMS320C5x／C54x／54xx／C55x)，TMS320C6000系列(TMS320C62x／67x)。其中C54xx以其低廉的价格，低功耗和高性能等特点被广泛应用到通信和个人消费电子领域。而以C54xx系列内核为基础的新一代DSP器件TMS320C5402不仅继承了上述优点，而且存储器被组织进三个独立的可选择的空间：程序存储空间、数据存储空间和I/O空间。大小都是64K，总共是192K大小。包括随机存储器(RAM)和只读存储器(RAM)。其中，5402所采用的RAM是双存取访问RAM(DARAM)。片上双存取访问RAM(DARAM)被组织在一些块上，因为每个DARAM块能够在每个机器周期中被访问两次，结合并行的体系结构，使得5402得以在一个指定的周期内完成四个并发的存储器操作：一个取指令操作、两个数据读操作和一个数据写操作。DARAM总是被映射到数据存储空间上，也可被映射进程序存储空间用于保存程序代码。5402的26个CPU寄存器和片上外设寄存器被映射在数据存储空间[2]。所以，TMS320C5402是54系列芯片的典型代表，也是目前国内DSP教材上介绍最多的芯片。1.1.2数字信号处理的实现方法数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了其应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了其理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用的桥梁。数字信号处理的实现方法一般有以下几种[1]:1、在通用的计算机(如PC机)上用软件(如Fortran，C语言)实现。2、在通用的计算机系统中加上专用的加速片来实现。在此类系统中的加速片上带有智能芯片DSP，加速片在计算机系统中充当处理器的角色，通用计算机仅充当没有实时要求的管理者角色，而不参与实时的数字信号处理。DSP与通用计算机的数据交流及控制可以通过PCI等扩展槽完成。3、用通用的单片机(如MCS-51，96系列等)实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等。4、用专用DSP芯片来实现。国际上已经推出了不少专用于FFT、FIR滤波、卷积、相关等算法的专用芯片，如，TDCl028可以实现FIR滤波器和相关运算。Motorola公司的DSP56200，Zoron公司的ZR34881，也都属于专用型DSP芯片。在专用的DSP芯片中，其软件算法已经在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。使用者给出输入数据，经过简单的组合即可在输出端得到结果。这一般用于对速度要求很高的场合。这种方案的缺点是灵活性差，并且开发工具还不完善。35、用通用的可编程DSP芯片实现。同其它智能芯片相比，通用DSP有更适合于数字信号处理的优点。如采用改进的哈佛总线结构、内部有硬件乘法器、累加器、使用流水线结构、具有良好的并行特性、并设计有专门用于数字信号处理的指令系统等。目前市场上的DSP芯片以美国德州仪器(TI)的系列芯片为主流。1.2本论文目的及意义DSP最小系统是DSP应用系统的最核心部分，本课题设计基于TMS320VC5402DSP芯片，构建了TMS320VC5402DSP最小系统，并通过I/O口电路测试了DSP最小系统板的可用性，为以后的学习提供了最核心的电路模块。1.3本论文的主要内容本论文的主要内容有：(1)基于TMS320VC5402的结构和功能，结合TMS320VC54X系列DSP实验教学的内容和要求，对DSP最小系统进行总体设计。(2)基于TMS320VC5402的DSP最小系统的设计，包括电源电路、时钟和复位电路、片外存储器电路以及JTAG仿真电路的设计。(3)在CCS集成开发环境下，实现系统自举加载和I/O口电路测试实验。4第二章系统总体设计本章介绍了TMS320VC5402芯片的结构和功能，在此基础上对DSP最小系统的功能方框图进行了规划，并对整个系统的设计方法进行了介绍。2.1TMS320VC5402简介TMS320VC54X是为实现低功耗、高性能而设计的定点DSP芯片，主要应用在通信系统方面。该芯片的内部结构及指令系统都是全新设计的，它的主要特点是[3][4][5]：CPU特点:先进的多总线结构。40位算术逻辑运算单元(ALU)。17位x17位并行乘法器与40位专用加法器相连。比较、选择、存储单元(CSSU)。指数编码器可以在单个周期内计算40位累加器中数值的指数。双地址生成器包括8个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术运算单元(ARAU)。存储器特点:64K字程序存储器、64K字数据存储器以及64K字I/O空间。指令系统特点:单指令重复和块指令重复操作。块存储器传送指令。32位长操作数指令。同时读入两个或3个操作数的指令。并行存储和并行加载的算术指令。条件存储指令。从中断快速返回指令。在片外围电路特点:软件可编程等待状态发生器。可编程分区转换逻辑电路。带有内部振荡器。外部总线关断控制，以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号。数据总线具有总线保持特性。可编程定时器。电源特点：5可用IDLEl、IDLE2和IDLE3指令控制功耗，以工作在省电方式。可以控制关断CLKOUT输出信号。在片仿真接口特点：具有符合IEEEll49.1标准的在片仿真接口(JTAG)。2.2系统功能方框图基于TMS320VC5402DSP最小系统的设计,此最小系统主要由时钟及复位电路、电源电路、JTAG仿真接口电路以及片外存储器电路等构成。系统框图如图2-1所示[6]。图2-1TMS320VC5402最小系统框图2.3系统的设计方法本系统设计以模块电路为基础，主要采用实验和仿真的设计方法对各模块电路硬件和软件展开设计。整个系统设计的大致步骤如图2-2所示。软件部分的设计步骤为：(1)根据需要用汇编语言或C语言编写程序。(2)将程序转化成DSP汇编，并送到编译器进行编译，生成目标文件。(3)将目标文件送链接器进行链接，得到可执行文件。(4)将可执行文件调入调试器进行调试，检查运行结果是否正确。如果正确继续，否则返回修改。(5)进行代码转换，将代码写入FLASH，并脱离仿真器运行程序，检查结果是否正确。硬件部分设计步骤为：(1)设计硬件实现方案，即根据性能指标、功能要求等确定最优硬件实现方案，并画出其硬件系统框图。6(2)进行器件选型，根据功能、成本和使用经验等要求确定系统中的主要器件，最重要的是根据需要选择系统中主要芯片型号。(3)设计原理图，在原理图的设计时必须熟悉系统的工作原理和器件的使用方法，对于一些关键的环节有必要进行一定的实验或仿真，原理图设计的成功与否是DSP系统能否正常工作的一个最重要因素。图2-2实验开发系统的设计步骤7第三章系统硬件设计最小系统是使得DSP芯片TMS320VC5402能够工作的最精简模块，它主要包括电源电路、复位电路、时钟电路、片外存储器接口电路和JTAG仿真接口电路。DSP最小系统原理图见附录一。3.1电源电路本系统中除了DSP以外其它器件工作电压为3.3V，所以我们采用5V电源供电。VC5402所要的工作电压分别是1.8V内核电压(CVDD)和3.3VI/O电压(DVDD)，并且DSP对这两种电源加电次序也有要求，理想情况下两个电源同时加电，但是一般场合很难做到，这时应先对CVDD加电，然后对DVDD上电。讲究供电次序的原因在于：如果只有CPU内核获得供电，周边I/O没有供电，对芯片是不会产生任何损害的，只是没有输入/输出能力而已；如果反过来，周边I/O得到供电而CPU内核没有供电。那么芯片缓冲/驱动部分的三极管在一个未知状态下工作，这是非常危险的[7]。我们通过TI公司提供的DSP专用电源芯片TPS73HD318来构建电源电路，实现5V向3.3V和1.8V的电压转换，同时也避免了上电次序的问题。图3-1为根据TPS73HD318芯片性能设计实现双电压输出的电源电路方案，具体分析如下[8]：(1)TPS73HD318芯片可以提供最高750mA的电流，为了适应较大的电流输出场合，该芯片输入和输出的管脚都采用两个管脚，这样可以提高电流的通过率并有利于芯片散热。(2)1.8V稳压器输入部分为1IN两个管脚，输入+5V的VCC，用10pF的电容对输入电源滤波；输出部分为1OUT两个管脚，以提供高稳定性的1.8V输出。(3)3.3V稳压器输入部分为2IN两个管脚，输入+5V的VCC，用10pF的电容对输入电源滤波；输出部分为两个20UT管脚，以提供高稳定性的3.3V输出。(4)系统的电源输入为+5V，同时设计电源指示灯LED，用来指示电源的通断。8图3-1电源电路3.2复位电路C5402的复位输入引脚RS为处理器提供了一种硬件初始化的方法，它是一种不可屏蔽的外部中断，可在任何时候对C54x进行复位。当系统上电后，RS引脚应至少保持5个时钟周期稳定的低电平，以确保数据、地址和控制线的正确配置。复位后，CPU从程序存储器的FF80H单元取指，并开始执行程序。C5402的复位分为软件复位和硬件复位，软件复位是通过执行指令实现芯片的复位，硬件复位是通过硬件电路实现芯片的复位，硬件复位有上电复位、手动复位和自动复位三种[9]。在DSP最小系统中采用手动复位方式。手动复位电路是通