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TMS320C2XX開發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
摘要：以TMS320F206為例，闡述了TMS320C2XX系列DSP芯片硬軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。著重探討了硬件設(shè)計(jì)、流水線沖突、中斷資源、閃速存儲(chǔ)器的使用等幾個(gè)重點(diǎn)問題。關(guān)鍵詞：TMS320F206 流水線 中斷 閃速存儲(chǔ)器
高速數(shù)字信號(hào)處理器是當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)之一，采用最先進(jìn)的DSP無疑會(huì)使所開發(fā)的產(chǎn)品具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。與普通的MCU相比，DSP芯片放棄了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，采用程序存儲(chǔ)器總線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線分開的改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間允許同時(shí)存取程序指定和數(shù)據(jù)，因而大大提高了處理速度。在改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，DSP芯片廣泛采用流水線操作減少指令執(zhí)行時(shí)間，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了處理器的數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，但同時(shí)也給設(shè)計(jì)者帶來了高頻干擾和流水線沖突等諸多問題。
TMS320C2XX系列DSP芯片結(jié)構(gòu)資源相似，開發(fā)工具相同，因而其開發(fā)設(shè)計(jì)具有很高的可比性。TMS320F206（以下簡稱F206）是TI公司TMS320C2XX系列的一款高性價(jià)比定點(diǎn)DSP，目前已廣泛應(yīng)用于圖形圖像處理、語音處理、通信及儀器儀表等領(lǐng)域。由于DSP的開發(fā)、應(yīng)用方式與普通的MCU差異很大，因此探討其開發(fā)設(shè)計(jì)很有必要。筆者在設(shè)計(jì)以DSP為核心的產(chǎn)品開發(fā)F206時(shí)的幾點(diǎn)心得，希望對(duì)正在和即將進(jìn)行TMS320C2XX列系DSP開發(fā)的同仁們有所幫助。
1 TMS320F206簡介
F206是100引腳的TQFP（正方扁平）封裝，它主要具有如下特點(diǎn)：
（1）處理能力強(qiáng)。若時(shí)鐘采用20MHz晶振，則指令周期50ns，運(yùn)算能力高達(dá)20MIPS。DSP芯片采用靜態(tài)CMOS集成工藝制作，采用四級(jí)流水線操作，其先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)允許對(duì)數(shù)據(jù)與指令的操作同時(shí)進(jìn)行，因而大大提高了數(shù)據(jù)的吞吐率和指令的執(zhí)行速度，特殊的DSP指令系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理操作。
（2）片內(nèi)具有32K×16位的閃速存儲(chǔ)器和4.5K×16位的RAM。利用閃速存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序，不令降低了成本、減小了體積，同時(shí)系統(tǒng)軟件升級(jí)也非常方便；大容量的片內(nèi)RAM可滿足大多數(shù)設(shè)計(jì)要求，無需擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器，既降低了成本又使硬件設(shè)計(jì)十分簡潔。
（3）地址映射分為4個(gè)可獨(dú)立尋址的空間：
·64K字程序存儲(chǔ)器，包含程序執(zhí)行所用的指令和數(shù)據(jù)。
·64K字本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，保存指令所用的數(shù)據(jù)。
·32K字全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，保存與其它處理器共用的數(shù)據(jù)，或者用作額外數(shù)據(jù)空間。本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器的上端32K字（8000h-FFFFH）地址空間可用作全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
·64K字的輸入/輸出（I/O）空間，與外部外圍接口，并且包含片內(nèi)外圍寄存器。
（4）資源豐富。F206具有1個(gè)同步串行口SSP、1個(gè)異步串行口ASP、1個(gè)軟件可編程定時(shí)器（TIMER）以及大量中斷資源和獨(dú)特的JTAG接口等。由于與目標(biāo)系統(tǒng)之間采用了JTAG邏輯掃描電路接口（基于IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)），在仿真時(shí)不占用硬件資源，且可隨時(shí)終止仿真察看CPU內(nèi)部及外設(shè)的工作情況，使得程序的調(diào)試和查錯(cuò)十分方便。通過JTAG端口可向片內(nèi)Flash串行下載程序，無需專門的編程器（XDS510仿真器即具有編程功能），進(jìn)一步減少了開發(fā)成本，便于開發(fā)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的軟件升級(jí)。
2 硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試
2.1 硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題
F206硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：
（1）時(shí)鐘電路。DSP時(shí)鐘可由外部提供，也可由板上的振蕩器提供。但一般DSP系統(tǒng)中經(jīng)常使用外部時(shí)鐘輸入，因?yàn)槭褂猛獠繒r(shí)鐘時(shí)，時(shí)鐘的精度高、穩(wěn)定性好、使用方便。由于DSP工作是由時(shí)鐘為基準(zhǔn)，如果時(shí)鐘質(zhì)量不高，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。因此，若采用外部時(shí)鐘，選擇晶振時(shí)應(yīng)對(duì)其穩(wěn)定性、毛刺做全面的檢驗(yàn)，以便DSP系統(tǒng)可靠地工作。
（2）復(fù)位電路。應(yīng)同時(shí)設(shè)計(jì)上電復(fù)位電路和人工復(fù)位電路，在系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)可方便地人工復(fù)位。對(duì)于復(fù)位電路，一方面應(yīng)確保復(fù)位低電平時(shí)間足夠長，保證DSP可靠復(fù)位；另一方面應(yīng)保證穩(wěn)定性良好，防止DSP誤復(fù)位。
（3）在DSP電路中，對(duì)所有的輸入信號(hào)必須有明確的處理，不能懸浮或置之不理。尤其要注意的是：若設(shè)計(jì)中沒有到不可屏蔽硬件中斷NMI，則硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保將其相應(yīng)引腳拉高，否則程序運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)料的結(jié)果。若設(shè)計(jì)中用到NMI，也應(yīng)在程序正常執(zhí)行階段置其相應(yīng)引腳為高電平。
（4）模擬電路與數(shù)字電路應(yīng)分開布置，獨(dú)立布線后應(yīng)單點(diǎn)連接電源和地，避免相互干擾。
（5）DSP、片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接入電源前，應(yīng)加濾波電容并使其盡量靠近芯片電源引腳，以濾除電源噪聲。另外，在DSP與片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)字存儲(chǔ)器等關(guān)鍵部分周圍建議布上地網(wǎng)，以減少外界干擾。
（6）片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)盡量靠近DSP芯片放置，同時(shí)要合理布局，使數(shù)據(jù)線和地址線長短基本保持一致。對(duì)于DSP系統(tǒng)而言，應(yīng)選擇存取速率與DSP相仿的外部存儲(chǔ)器，不然DSP的高速處理能力將不能充分發(fā)揮。
DSP指令周期為ns級(jí)，因而DSP硬件系統(tǒng)中最易出現(xiàn)的問題是高頻干擾，因此在制作DSP硬件系統(tǒng)的印制電路板（PCB）時(shí)，應(yīng)特別注意對(duì)地址線和數(shù)據(jù)線等重要信號(hào)線的布線要做到正確合理。布線時(shí)盡量使高頻線短而粗，且遠(yuǎn)離易受干擾的信號(hào)線，如模擬信號(hào)線等。
當(dāng)DSP周圍電路較復(fù)雜時(shí)，建議將DSP及其時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、片外程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器制作成最小系統(tǒng)，以減少干擾、筆者曾在這個(gè)問題上花費(fèi)大量時(shí)間和精力，由于干擾嚴(yán)重，DSP根本無法正常工作。后將DSP及其時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器制成最小系統(tǒng)，主要信號(hào)線通過金手指與其它相應(yīng)電路相連，結(jié)果DSP系統(tǒng)運(yùn)行正常。
2.2 硬件調(diào)試時(shí)應(yīng)注意的問題
在硬件調(diào)試前，應(yīng)先對(duì)電路板進(jìn)行細(xì)致的檢查，觀察有無短路或斷路情況（由于DSP的PCB板布線一般較密、較細(xì)，這種情況發(fā)生概率還是比較高的）。加電后，應(yīng)用手感覺是否有些芯片特別熱。如果發(fā)現(xiàn)有些芯片燙得厲害，需立即掉電重新檢查電路。排除故障后，接著就應(yīng)檢查晶體是否振蕩，復(fù)位是否正確可靠。然后用示波器檢查DSP的CLK-OUT1和CLK-OUT2引腳的信號(hào)是否正常，若正常則表明DSP本身工作基本正常。
2.2.1 保證電源的穩(wěn)定可靠
在DSP硬件系統(tǒng)調(diào)試前，應(yīng)確保給實(shí)驗(yàn)板供電的電源有良好的恒壓恒流特性。尤其要注意的是，DSP的入口電壓應(yīng)保持在5.0±0.05V。電壓過低，則通過JTAG接口向Flash寫入程序時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示；電壓過高，則會(huì)損壞DSP芯片。由于電源電壓過高，筆者曾有過一個(gè)上午燒壞3塊DSP的慘痛經(jīng)歷。另外，由于在調(diào)試時(shí)要頻繁對(duì)實(shí)驗(yàn)板接電和斷電，若電源質(zhì)量不好，則很可能在突然上電時(shí)因電壓陡升而燒壞DSP芯片。這樣既會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，又將影響開發(fā)進(jìn)度。因此，在調(diào)試前應(yīng)高度重視電源的選擇，同時(shí)在調(diào)試過程中應(yīng)經(jīng)常檢查電源是否正常。
2.2.2 利用仿真軟件排除硬件故障
在完成地電路板的檢查后，就可通過仿真軟件來調(diào)試程序。由于仿真時(shí)，程序代碼下載到目標(biāo)系統(tǒng)中的片外程序存儲(chǔ)器，因而通過仿真軟件可以比較容易地檢查出一些硬件故障。
在上電后，若仿真軟件調(diào)試窗口始終無法調(diào)入程序，則有兩種可能：（1）DSP芯片引腳存在斷路或短路現(xiàn)象；（2）DSP芯片損壞。倘若是第一次利用仿真器軟件調(diào)試程序，此時(shí)應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)板斷電，仔細(xì)檢查DSP芯片各引腳的焊接情況。如果軟件調(diào)試窗口曾正確調(diào)入程序，則可能是DSP芯片損壞。此時(shí)，可通過檢測(cè)實(shí)驗(yàn)板的整板阻抗進(jìn)一步判斷DSP芯片是否受損。若整板阻抗急劇下降，可將給DSP芯片供電的電源線割斷，檢測(cè)DSP芯片的電阻。正常的DSP芯片的電阻為MΩ級(jí)，若被測(cè)芯片電阻明顯低于該值，則可斷定DSP芯片已被燒壞。
如果軟件調(diào)試窗口可調(diào)入程序，但調(diào)入的程序局部出錯(cuò)，如對(duì)片外程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作的代碼變成了.word xxxx，此時(shí)可能是片外程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器出現(xiàn)故障。應(yīng)仔細(xì)檢查器是否存在短路或虛焊，若不存在則應(yīng)進(jìn)一步判斷存儲(chǔ)器是否受損。本人曾遇到上述現(xiàn)象，后經(jīng)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)器有引腳虛焊。
3 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試
哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作現(xiàn)加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得DSP芯片的指令周期為ns級(jí)，快速的指令周期可使DSP芯片能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)許多應(yīng)用。但在實(shí)際的程序設(shè)計(jì)中，DSP芯片的這些特點(diǎn)卻給程序設(shè)計(jì)者帶來了許多意想不到的麻煩。下面，筆者將根據(jù)自身的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)介紹編程與調(diào)試時(shí)應(yīng)注意的一些問題。
3.1 流水線沖突
F206采用四級(jí)流水線操作，指令流水線由一系列總線操作組成，它具有4個(gè)獨(dú)立的操作階段：取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行。由于4個(gè)操作階段是獨(dú)立的，因此這些操作可以交疊地進(jìn)行；在任意的指令周期內(nèi)，1到4個(gè)不同的指令均可有效，各條指令均處于一個(gè)同的完成階段。因此，流水線沖突是不可避免的。通常情況下，發(fā)生流水線沖突時(shí)，編程者可通過調(diào)整程序語句的次序或在相應(yīng)位置插入一定數(shù)量的NOP來解決。
3.2 設(shè)置等待狀態(tài)寄存器
對(duì)高速的DSP而言，它的讀操作從地址穩(wěn)定到數(shù)據(jù)有效僅需幾十ns的時(shí)間，而DSP外設(shè)的速度則參差不齊。為了解決高速DSP與低速外設(shè)在速度上的沖突，在高速的DSP與存儲(chǔ)器等外設(shè)的接口之間，等待狀態(tài)的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵的問題。若DSP不能與外設(shè)很好配合，則會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行結(jié)果出錯(cuò)。F206內(nèi)置一個(gè)軟件可編程等待狀態(tài)寄存器（WSGR），通過設(shè)置WSGR，可分別為片外存儲(chǔ)器和I/O端口設(shè)置CPU的等待時(shí)間。
在程序調(diào)試過程中，若程序隨機(jī)運(yùn)行，或仿真軟件調(diào)試窗口出現(xiàn)“Time out waiting for device”紅色告警字樣時(shí)，而程序流程沒有問題，則可是DSP與外部慢速器件配件不正常，此時(shí)應(yīng)重新設(shè)置等待狀態(tài)寄存器，增加CPU等待外設(shè)的時(shí)間。由于例程[2]中WSGR值均為0000h，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)，使初學(xué)者誤以為在任何情況下WSGR值均為0000h。筆者在調(diào)試程序時(shí)，曾遇到這個(gè)問題，后來不斷調(diào)整WSGR的設(shè)置，終于使程序能夠正常執(zhí)行。在具體應(yīng)用中，程序設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)實(shí)際用到的片外資源設(shè)置WSGR的值，切忌盲從。
3.3 保留區(qū)域
編程時(shí)應(yīng)注意設(shè)計(jì)中程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器配置的地址映射，切記不能向任何保留地址寫數(shù)據(jù)，否則將造成處理器的不可預(yù)測(cè)操作。F206程序存儲(chǔ)器地址FE00h～FEFFh(片外)為保留地址，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址0000h～0005Fh、0080h～01FFH、0200h～02FFh(CNF=1時(shí))和0400h～07FFh均為保留地址。
3.4 中斷資源
F206中斷資源豐富，其0000h～003fh地址單元對(duì)應(yīng)中斷向量空間，每個(gè)中斷矢量均為一條轉(zhuǎn)移指令，該指令要求4個(gè)8bit字，因而中斷向量空間可容納32個(gè)中斷矢量。對(duì)于程序設(shè)計(jì)中沒有用到的向量空間，應(yīng)填零以防意外。F206不支持中斷嵌套，當(dāng)它響應(yīng)了某個(gè)硬件中斷時(shí)，會(huì)自動(dòng)將其中斷標(biāo)志位和中斷允許位INTM置1（INTM為1，禁止所有中斷），但在中斷服務(wù)程序結(jié)束后不會(huì)自動(dòng)將二者清零。因此，在中斷服務(wù)程序結(jié)束前，應(yīng)先將這兩個(gè)標(biāo)志位清零，否則DSP將無法正常響應(yīng)中斷。注意，DSP中向標(biāo)志位寫入1才能對(duì)標(biāo)志位清零，并且應(yīng)先清除中斷標(biāo)志位，然后再對(duì)中斷允許位INTM清零。
若某一中斷客觀存在，而程序中又無相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，則會(huì)導(dǎo)致程序紊亂。如在中斷屏蔽寄存器（IMR）中將異步串行口的傳送/接收中斷打開，此時(shí)若異步串行口控制寄存器（ASPCR）指?jìng)魉突蚪邮罩袛嗥帘�，此時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生該中斷，只是寫入異步數(shù)據(jù)發(fā)送和接收寄存器（ADTR）或讀ADTR的值為零，因而編程時(shí)還要對(duì)ADTR進(jìn)行讀或?qū)懱幚�，而不能只是簡單地清除其中斷�?biāo)志位和中斷允許位后返回。筆者曾因這個(gè)問題耗時(shí)多日，程序調(diào)試總不能得到正確的結(jié)果，后編寫入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序后，再進(jìn)行調(diào)試終于得到了正確結(jié)果。(范文先生網(wǎng)www.panasonaic.com收集整理)
NMI中斷可用作軟件復(fù)位，但因?yàn)橹袛嗍噶績H僅是一條轉(zhuǎn)移指令，因而它既不中止存儲(chǔ)器操作也不初始化狀態(tài)位。如果要求DSP重新對(duì)外圍器件設(shè)置，則利用NMI軟件復(fù)位不能滿足要求。根據(jù)實(shí)際，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)利用NMI中斷硬件復(fù)位DSP的電路，如圖1所示。
在NMI中斷服務(wù)程序中，DSP給PO6口一個(gè)正永沖即可使DSP復(fù)位，但應(yīng)注意新增電路中的RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于DSP原有復(fù)位電路的RC時(shí)間常數(shù)，以免影響DSP正常復(fù)位。
3.5 數(shù)據(jù)頁DP
在所有程序中必須初始化DP。初始化DP非常重要，復(fù)位不能初始化DP，并且上電時(shí)，DP是不確定的。沒有初始化DP的程序就不能正確執(zhí)行。另外，在編程時(shí)應(yīng)注意：①DSP對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)的訪問比片外存儲(chǔ)區(qū)要快，因此應(yīng)將經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)分配至片內(nèi)存儲(chǔ)空間，以提高數(shù)據(jù)處理速度。②盡可能采用直接尋址的尋址方式，這樣可在提供大數(shù)據(jù)訪問能力的同時(shí)，提高指令速度。這種尋址方式具有128字節(jié)的尋址能力，但尋址范圍是指定DP下的128字。當(dāng)程序復(fù)雜特別是在中斷存在的情況下，改變DP的值很容量造成程序的混亂�；诖丝紤]一般將DP的值固定不變，盡可能合理地在各功能模塊間分配這128個(gè)高效且使用方便的存儲(chǔ)單元。應(yīng)特別注意的是，DP的值置零，在操作完成后再將DP的值還原，這是因?yàn)镮FR、IMR的地址都是DP為零的相對(duì)地址。另外，在中斷程序入口如果使用直接尋址方式保存狀態(tài)寄存器的值，那么在中斷返回之間裝載所保存的值時(shí)，也應(yīng)先將DP的值設(shè)成零，否則程序?qū)o法正常運(yùn)行。
3.6 內(nèi)置閃速存儲(chǔ)器（Flash）
F206的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是具備32K×16位的片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器，它具有可擦除、可編程和非易失電源等特點(diǎn)。在復(fù)位期間，通過將MP/MC置為低電平可選擇閃存。利用JTAG接口向目標(biāo)系統(tǒng)下載程序包括：Flash的清零（clear,所有位清零）、擦除（erase，所有位置1）及編程。其片內(nèi)Flash，由兩塊相對(duì)獨(dú)立的16KB Flash組成，因而每次清零、擦除需對(duì)兩塊16KB Flash分別進(jìn)行。F206運(yùn)算速度有20、28.5和40MIPS，但程序代碼成功燒錄進(jìn)片F(xiàn)lash的前提條件是其工作于20MIPS，否則程序無法燒尋進(jìn)DSP。另外應(yīng)將NMI中斷相應(yīng)引腳拉高，否則由JTAG將程序代碼燒錄進(jìn)Flash時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，使燒錄無法完成。
筆者在調(diào)試程序時(shí)曾遇到這樣的情況，程序在仿真時(shí)可以正常運(yùn)行，燒錄到Flash后卻無法運(yùn)行了。原因是上電時(shí)DSP外圍芯片復(fù)位時(shí)間長于DSP的啟動(dòng)時(shí)間，后來嘗試著在程序初始化之前插入一段延時(shí)（約為幾十ms），重新燒錄后程序執(zhí)行正常。
DSP技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，DSP的應(yīng)用也日益廣泛。了解和掌握DSP技術(shù)，并應(yīng)用DSP技術(shù)開發(fā)新一代高科技產(chǎn)品十分必要。本文介紹的DSP開發(fā)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題，可以大大縮短開發(fā)時(shí)間，僅供讀者參考。
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