基于TMS320F2812最小系统的设计Word下载.docx
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TI公司之后不久相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28、第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32。
90年代DSP发展最快，TI公司相继推出第四代DSP芯片TMS320C40/C44、第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X、第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX、集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X征寻代理以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等[1]。
随着CMOS技术的进步与发展，日本的Hitachi公司在1982年推出第一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片，1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。
而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&
T公司于1984年推出的DSP32。
与其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。
1986年，该公司推出了定点处理器MC56001。
1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。
美国模拟器件公司（AD）在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181，浮点DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062等。
自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。
从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等），处理能力提高了几十倍。
DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年占模片区（DieArea）的40%左右下降到5%以下，片内RAM数量增加一个数量级以上。
DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等[2]。
目前，最新的DSP芯片是由德州仪器于2009年11月5日推出的6核DSPTMS320C6472。
TIC6472是TI针对电源优化的多核处理器，在业界总工作频率为3GHz的所有多核DSP中，C6472DSP具有最高的处理性能与最低的功耗，可实现3.7W性能与0.15mW/MIPS低功耗。
1.2DSP系统构成及其特点
1.2.1DSP系统构成
数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备，在模拟信号变换成数字信号以后，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10～50倍。
一个典型的DSP系统，输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。
DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。
最后，经过处理后的数字样值再经D/A（DigitaltoAnalog）变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。
必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，但并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。
1.2.2DSP系统的特点
数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点：
（1）接口和编程方便。
DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口容易得多；
另外，DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。
（2）稳定性和可重复性好。
DSP系统以数字处理为基础，受环境温度、湿度、噪声、电磁场的干扰和影响较小，可靠性高；
数字系统的性能基本不受元器件参数性能变化的影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。
（3）精度高。
16位数字系统可以达到10-5的精度。
（4）特殊应用。
有些应用只有数字系统才能实现，例如信息无失真压缩、V型滤波器、线性相位滤波器等等。
（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。
当然，数字信号处理在高频信号处理上也存在一定的缺点。
DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。
此外，DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。
1.2.3数字信号处理器与通用微处理器的比较
DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。
例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对快速傅立叶变换很有用）。
这些非常专门的寻址模式在GPP中是不常使用的，只有用软件来实现。
在执行时间的预测上，DSP对高性能GPP的优势在于，即便是使用了高速缓存的DSP，哪些指令会放进去也是由程序员（而不是处理器）来决定的；
DSP一般不使用动态特性，如转移预测和推理执行等。
因此，由一段给定的代码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的，从而使程序员得以确定芯片的性能限制。
1.3DSP芯片的应用
1.3.1DSP的应用领域
在近20多年时间里，DSP芯片的应用已经从军事、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，合占整个市场需求的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DSP是PC领域的主流产品。
以XDSLModem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。
1.3.2DSP的市场规模
从80年代开始起步的DSP市场，目前正处于高速成长的阶段。
在数字化、个人化和网络化的推动下，1997年世界DSP市场营销额超过32亿美元，预计未来的年均增长率高达40%，按照这一增长速度，至2007年，世界DSP市场营销额将突破500亿美元。
在全球DSP产品市场中，TI公司独占鳌头，占世界市场45%的份额，其次是朗讯（28%）、ADI（12%）、摩托罗拉（12%）、其他公司（3%）。
1.4DSP的发展前景
1.4.1DSP的技术展望
（1）努力向系统级集成DSP迈进。
缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。
当前的DSP多数基于RISC（精简指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。
各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。
这样的集成缩小了整机的体积，缩短了产品上市的时间，是一个重要的发展趋势。
（2）DSP的内核结构进一步改善。
DSP的结构主要是针对应用，并根据应用优化DSP设计以极大改进产品的性能。
多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、超长指令字结构（VLIM）、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构（SHARC）在新的高性能处理器中将占据主导地位。
（3）可编程DSP是主导产品。
可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。
生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。
同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。
人们已经发现，许多微控制器能做的事情，使用可编程DSP将做得更好更便宜。
（4）追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸。
由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。
同时由于DSP的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域，特别是便携式手持产品对于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于进一步降低功耗。
按照CMOS的发展趋势，依靠新工艺改进芯片结构，DSP运算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。
（5）定点DSP是主流。
虽然浮点DSP的运算精度更高，动态范围更大，但定点DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。
因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。
据统计，目前销售的DSP器件中的80%以上属于16位定点可编程DSP器件，预计今后的比重将逐渐增大。
（6）与可编程器件结合。
DSP的许多新应用需要比传统DSP处理器更加强大的数字信号处理能力，设计者往往会借助PLD和FPGA来满足他们日益提高的信号处理需求。
与常规DSP器件相比，FPGA器件配合传统的DSP器件可以处理更多信道，可在基站中用来实现高速实时处理功能，满足无线通信、多媒体等领域多功能和高性能的需要。
（7）DSP嵌入式系统。
DSP嵌入式系统是DSP系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统。
这种系统既具有DSP器件在数据处理方面的优势，又具有应用目标所需要的技术特征。
在许多嵌入式应用领域，既需要在数据处理方面具有独特优势的DSP，也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器（MCU）。
因此，将DSP与MCU融合在一起的双核平台，将成为DSP技术发展的一种新潮流[3-4]。
1.4.2我国DSP市场前景
目前，国外众多厂商涉足我国DSP产品市场，我国的DSP应用已有了相当的基础，有10多家集成电路设计企业从事数字信号处理系统（DSP）及相关产品的开发与应用。
从应用范围来说，数字信号处理器市场前景看好。
DSP不仅成为手机、个人数字助理等快速增长产品中的关键元件，而且它正在向数码相机和电机控制等领域挺进。
随着DSP芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化放向发展，DSP日益进入人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国DSP市场将蓬勃发展，今后几年市场销售额仍将保持40％以上的增长率，具有良好的市场前景。
1.5选题背景及意义
数字信号处理器在众多需要进行高速数据处理的领域都有着广泛的应用。
随着多媒体处理对精度要求的不断提高，各DSP生产厂家陆续推出了各自的32位浮点DSP处理器[6]。
设计有自主产权的DSP处理器IP核，对于国内自主研制高端SOC产品，具有很高的实用价值。
2系统总体设计
2.1TMS320F2812芯片的选择
选用TMS320F2812作为研究的理由：
（1）TMS320F2812实时采集和传输的数据量大，处理器的处理速度很高，且有足够大的内存。
TMS320F2812的工作主频高达150MHz，单周期指令执行时间为6.67ns，外部RAM最大可扩展为512K。
（2）TMS320F2812精度高，为32位。
（3）TMS320F2812的外扩RAM较大，最大可扩展为512K。
它具有一个特殊的外部存储器接口（XINTF），通过它可以完成外部RAM的扩展。
该接口的5个存储器的每一个区还可以分别对等待状态数、读写选通信号的建立时间、激活时间和保持时间进行编程，方便系统设计。
综上所述，选择了性价比高、工业上普遍选用的TMS320F2812芯片来进行最小系统的设计。
2.2TMS320F2812芯片的主要特性
TMS320F2812系列DSP（数字信号处理器）是TI公司最新推出的数字信号处理器，该系列处理器是基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器。
器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。
同时代码和指令与F24x系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了项目或产品设计的可延续性。
与F24x系列数字信号处理器相比，F2812系列数字信号处理器提高了运算的精度（32位）和系统的处理能力（达到150MIPS）。
该系列数字信号处理器还集成了128KB的Flash存储器，4KB的引导ROM，数字运算表以及2KB的OTPROM，从而大大改善了应用的灵活性。
128位的密码保护机制有效地保护了产品的知识产权。
两个事件管理器模块为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能。
16通道高性能12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。
归纳起来，TMS320F2812系列DSP有以下特点[2-3]。
（1）TMS320F2812系列DSP采用高性能的静态COMS技术
主频达150MHz（时钟周期6.67ns）；
采用低电压供电，当主频为135MHz时内核电压为1.8V，当主频为150MHz时内核电压为1.9V，I/O引脚电压为3.3V。
（2）支持JTAG边界扫描接口
（3）高性能32位CPU
支持16×
16位和32×
32位的乘法加法运算；
16位的双乘法运算；
采用哈佛总线结构模式；
快速中断响应和中断处理能力；
统一的存储设计模式；
4MB的程序/数据寻址空间；
高效的代码转换功能（支持C/C++和汇编）；
与TMS320F24x/F240x系列数字信号处理器代码兼容。
（4）片内存储空间
片内Flash空间大小为128K×
16b，分为4个8K×
16b和6个16K×
16b存储段；
ROM空间：
片内含128K×
16位大小的ROM；
OTPROM空间大小：
1K×
16b；
L0和L1：
两块4K×
16位的单周期访问RAM（SARAM）；
H0：
一块8K×
M0和M1：
两块1×
16位的单周期访问RAM（SARAM）。
（5）根只读存储器（BootROM）4K×
16位
带有软件启动的Boot模式；
标准数学函数库。
（6）外部存储器接口
有高达1M×
16b的总存储空间；
可编程的等待时间；
可编程读写选通计数器（StrobeTiming）；
三个独立的片选信号。
（7）时钟与系统控制
支持动态锁相环倍频；
片内振荡器；
看门狗定时器模块。
（8）三个外部中断。
（9）外部中断扩展（PE）模块
可支持96个外部中断，当前仅使用了45个外部中断。
（10）128位的密钥（SecurityKey/Lock）
保护Flash/OTP和L0/L1SARAM；
防止ROM中的程序被盗。
（11）3个32位的CPU定时器。
（12）用于控制电机的外围设备
两个事件管理器（EVA、EVB）；
与C240兼容的器件。
（13）串口外围设备
串行外围接口（SPI）；
两路串行通信接口（SCI），标准的SCI口；
增强型CAN模块（eCAN）；
多通道缓冲串行接口（McBSP）和串行外围接口模式。
（14）12位的ADC转换模块
2×
8通道的输入通道；
单一或级联转换模式；
最高转换速率为80ns/12.5Msps。
（15）最多有56个独立的可编程、多用途通用输入/输出（GPIO）引脚。
（16）先进的仿真模式
具有实时分析以及设置断点的功能；
支持硬件仿真。
（17）开发工具
DSP集成系统（CodeComposerStudio，CCS）；
JTAG仿真器。
（18）低功耗模式和节能模式
支持空闲模式（IDLE）、等待模式（STANDBY）、挂起模式（HALT）；
静止/使能独立外设时钟。
（19）封装方式
带外部存储器接口的179球形触点BGA封装；
带外部存储器接口的176引脚低剖面四芯线扁平LQFP封装；
没有外部存储器接口的128引脚奥贴片正方扁平PBK封装。
（20）工作温度
A：
-40~85℃（GHH、ZHH、PGF、PBK）；
S：
-40~125℃（GHH、ZHH、PGF、PBK）；
Q：
-40~125℃（PGF、PBK）。
2.3DSP最小系统
DSP最小系统是能使DSP正常工作的最基本的DSP系统。
本设计中，DSP最小系统以TMS320F2812为中心，在其外围扩展程序和数据存储器，以及看门狗，时钟电路，JTAG电路，电源电路等。
图2-1DSP最小系统图
2.4电源模块的设计
TMS320F2812芯片采用双供电模式，1.8V（主频135MHz）内核电压和3.3V外围接口电压。
芯片的上电顺序是：
先加载外围接口电压3.3V，当外围接口电压升至2.5V时开始加载芯片核电压1.8V，电压爬升小于10ms。
芯片下电的顺序是：
先断掉外围接口电压3.3V，复位信号始终低有效，保持8us，接着使芯片核电压1.8V降为0。
实际系统的外接电源采用的是+5V开关电源，所以硬件电路中必须采用电源转换芯片组。
市场上电源转换芯片的种类丰富、厂家繁多，结果认真分析和比较，本系统中采用的电源转换芯片与DSP芯片为同一家厂家TI公司，芯片之间的兼容性好，可靠性高，性能参数指标具有一致性。
电源芯片TPS767D318为+5V外接电压转换+3.3V提供可能，采用可调电源芯片TPS767D318为TMS320F2812提供1.8V（主频135MHz）或1.9V（主频150MHz）的核电压[5-6]。
当TMS320F2812芯片在主频135MHz情况下工作时，芯片功耗为565mW，电流消耗仅在0.2A左右，存储器需要0.2A的电流，CPLD需要0.1A，可调电源转换芯片TPS767D318的最大输出电流为1A，完全可以满足模块需要。
此电源转化芯片组既可以满足系统工作时的电流要求，又可以解决DSP芯片上、下电顺序问题。
DSP芯片的电源部分设计如图2-2所示。
图2-2DSP芯片的电源部分设计图
2.5时钟信号的设计
TMS320F2812处理器片上带有基于PLL的时钟模块，为器件及各种外设提供时钟信号。
锁相环有4位倍频设置位，可以为处理器提供各种速度的时钟信号。
一般有两种方法为DSP芯片提供时钟电路。
（1）使用内部振荡器，即在DSP芯片的X1/XCLKIN和X2引脚之间连接一个石英晶体和两个电容，利用DSP芯片内部的振荡电路组成并联谐振电路，可产生与外加晶体同频率的时钟信号。
两个电容一般在10~30pF之间选择，它们可对时钟频率起到微调作用。
石英晶体的频率等于DSP芯片主频的80%×
25%，即GPA1的频率=135MHz×
80%×
25%=27MHz，故选取30MHz的晶体，能够满足DSP芯片的工作要求，两个电容分别选取24pF。
（2）使用外部时钟源。
即采用封装好的晶体振荡器，将外部时钟源直接接到X1/XCLKIN引脚上，X2引脚悬空。
本论文中TMS320F2812处理器的时钟信号设计采用方法
（1），其设计原理图如图2-3所示：
图2-3DSP芯片的时钟信号设计
TMS320F
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