基于TMS320C54x流水灯设计.docx

1、基于TMS320C54x流水灯设计【摘 要】 DSP（Digital Signal Processing）也就是我们常说的数字信号处理，它是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集，变换，滤波，估值，增强，压缩，识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 一 DSP芯片1.1DSP芯片特点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，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：在一个指令周期内可完成一

2、次乘法和一次加法。 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 快速的中断处理和硬件I/O支持。 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 可以并行执行多个操作。 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。 1.2 DSP芯片分类DSP芯片可以按照下列三种方式进行分类。 1按基础特性分 这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没

3、有性能的下降，这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片。例如，日本OKI 电气公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片属于这一类 如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片称为一致性DSP芯片。例如，美国TI公司的TMS320C54X就属于这一类。 2按数据格式分 这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，

4、Motolora公司的MC56000等。以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等。 不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式，如Motorola公司的MC96002、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。 3按用途分 按照DSP的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的D

5、SP应用，如TI公司的一系列DSP芯片属于通用型DSP芯片。专用DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT，如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的ZR34881，Inmos公司的IMSA100等就属于专用型DSP芯片。1.3 DSP芯片应用 在近20年里，DSP芯片在信号处理，通信，雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。它的应用主要有： 1.信号处理-如数字滤波，快速傅立叶变换，相关运算，谱分析，卷积，模式匹配，加窗，波形产生等； 2.通信-如调制解调器，自适应均衡，数据

6、加密，数据压缩，回波抵消，多路复用，传真，扩频通信，纠错编码，可视电话等； 3.语音-如语音编码，语音合成，语音识别，语音增强，说话人辨认，说话人确认，语音邮件，语音存储等； 4.图形/图像-如二维和三维图形处理，图像压缩与传输，图像增强，动画，机器人视觉等； 5.军事-如保密通信，雷达处理，声纳处理，导航，导弹制导等； 6.仪器仪表-如频谱分析，函数发生，锁相环，地震处理等； 7.自动控制-如引擎控制，声控，自动驾驶，机器人控制，磁盘控制等； 8.医疗-如助听，超声设备，诊断工具，病人监护等； 9.家用电器-如高保真音响，音乐合成，音调控制，玩具与游戏，数字电话/电视等。 二 TMS320C

7、54x芯片介绍2.1 TMS320C54x芯片特点 本设计用到的芯片是IT公司的TMS320C54x。TMS320C54x是为实现低功耗，高性能而专门设计的定点DSP芯片，它主要应用于无线系统中。TMS320C54x基本特点： 1.中央处理单元先进的多总线结构，有一条程序总线（PB），三条数据总线（CB，DB和EB）和四条地址总线（PAB，CAB，DAB和EAB）;1个40位的算术逻辑单元（ALU），1个40位的桶形移位器和2个独立的40位累加器A和B;1个17x17的乘法器和两个40位加法器，乘法器可以耦合到加法器以完成单周期的MAC指令;内部集成了维特比加速器以及与它相关的比较，选择和存储

8、单元（CSSU）;指数编码器用来在单周期内计算40位累加器值的指数;2个地址产生器，其中包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器运算单元。2.存储器192Kx16-bit可寻址存储空间，其中包括64K字程序空间，64K字数据空间和64K字I/O空间，对于548，549，5402和5410还可以外部扩展程序空间3.数据寻址54X提供了7种数据寻址方式：立即数寻址；绝对寻址；累加器寻址；直接寻址；间接寻址；存储器映射寄存器寻址；堆栈寻址；4.程序存储器寻址使用程序计数器（PC）寻址，但是，对于一些指令需要用到绝对寻址。5.中断54X支持软件中断（如INTR，TRAP，RESET）和硬件中断，中断可分为可

9、屏蔽中断（如TINT，INT0等）和不可屏蔽中断（如RESET和NMI），其中RESET的优先级最高，不可屏蔽中断的优先级高于可屏蔽中断的优先级，硬件中断的优先级则高于软件中断的优先级。6.流水线54X有6级流水线：预取指，取指，解码，访问，读取和执行。7.运算速度指令周期为25/20/15/12.5/10ns，运算能力为40/50/66/80/100MIPS（百万条指令/秒）。8.低功耗方式TMS320C54X可以在3.3V或2.7V电压下工作，三个低功耗方式（IDLE1，IDLE2和IDLE3）可以节省DSP的功耗，所以它特别适合于无线移动设备。9.片上的外设 可软件编程的等待状态发生器，

10、使得与速度较慢的设备通讯更加方便；片上的锁相环时钟发生器可以对外部始终信号进行倍频或分频，从而得到自己所需要的时钟频率，当分频时还可节省系统的功耗；可以禁止对外部数据总线，地址总线以及控制信号的控制；可以软件编程的定时器；10.符合国际IEEE 1149.1标准的边界扫描逻辑接口，即JTAG扫描逻辑电路，用于仿真和测试，可以实现在线仿真。2.2 TMS320C54X的指令集54X的指令可以分为四个大类：算术指令，逻辑指令，程序控制指令，读取和存储指令1.算术指令包括了加法指令（ADD.），减法指令（SUB.），乘法指令（MPY.），乘加指令（MAC.）和乘减指令（MAS.），32位操作数指令（

11、DADD,DSUB.）和一些专用指令（ABDST,FIRS,SQDST.）。其中大部分指令都只需要一个指令周期，只有个别指令需要2-3个指令周期。2.逻辑指令包括了与指令（AND.），或指令（OR .），异或指令（XOR.），移位指令（ROL.）和测试指令（BITF.）。根据操作数的不同，这些指令需要1-2个指令周期。3.程序控制指令包括了转移指令（B,BC.），调用指令（CALL.），中断指令（INTR,TRAP），返回指令（RET.），重复指令（RPT .），堆栈操作指令（FRAME,POPD.）和其它程序控制指令（IDLE, NOP.）。这些指令根据情况不同分别需要1-6个指令周期。4.

12、读取和存储指令包括了读取指令（LD.），存储指令（ST.），条件存储指令（CMPS, SACCD.），并行的读取和乘法指令（LD | MAC.），并行的读取和存储指令（ST | LD.），并行的存储和乘法指令（ST | MAC.），并行的读取和加减指令（LD | ADD,LD | SUB）以及其它读取类型和存储类型指令（MVDD,PORTW, READA.）。这些指令根据情况不同分别需要1-5个指令周期。TMS320C54x的引脚图： 三 整体设计3.1 原理： 通过对DSP结构、原理及应用的学习。在初步了解DSP结构和原理的基础上，进行简单的应用实验，掌握DSP的基本应用。通过熟悉DSP模板

13、的内部结构以及CCS软件，掌握DSP语言编程和调试方法，了解DSP的指令和I/O端口的寄存器的配置，并结合DSP实验模板对DSP进行编程控制数字输入/输出端口点亮LED显示管。1.时钟电路： 时钟信号的产生的两种方法：一是使用外部时钟源的时钟信号。外部时钟源可以采用频率稳定的晶体振荡器，使用方便，价格便宜，因而得到广泛应用。 二是利用DSP芯片内部的振荡器构成时钟电路。2.复位电路： 复位电路的作用是确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位状态决定了芯片的最初情况。利用RC电路的延迟特性给出复位需要的低电平时间。在上电瞬间，由于电容C上的电压不能突变，所以通过电阻R进行充电，充电时间由RC的乘积值

14、决定。3.JTAG仿真接口电路： 仿真电缆和DSP JTAG测试口的连接是通过一个14脚的插头座(仿真头)来实现的。3.2 CCS软件设计： DSP实验室开发平台有八个LED，LED低电平为亮，高电平为灭。CCS软件编译步骤：打开CCS软件，建立工程、新建文件并编译链接。下载.out文件到实验平台：FileLoad ProgramDebugRun。运行实验平台的程序，查看LED的亮灭：程序实现的LED流水灯功能是：全亮：前四个灯亮：后四个灯亮：第一个和第八个亮：第二个和第七个亮：第三个和第六个亮：第四个和第五个亮：第四个和第五个亮：第三个和第六个亮：第二个和第七个亮：第一个和第八个亮：程序如下

15、：/*文件预处理*/#include tms320uc5402.h/*/*全局变量定义与初始化*/ioport unsigned port8001;unsigned int show=0x00aa;unsigned int num=0x0000; Unsigned char a=0x0000,0x000f,0x00f0,0x007e,0x00bd,0x00db,0x00e7,0x00e7,0x00db,0x00bd,0x007e;/*/*函数、子程序声明与定义*/void sys_ini() /系统初始化子程序 asm( ssbx INTM); /全局禁止所有可屏蔽中断 PMST&=0x00F

16、F; /(DRAM映射到程序空间和数据空间)向量表映射到0x0080空间 SWWSR=0x7000; /io空间7个等待周期，程序与数据空间0个等待周期 CLKMD=0x17FA; /CLKOUT=2*CLKIN=2*10M=20M,自动延时最长时间 void timer0_ini() /定时器0初始化子程序 TCR|=0x0010; /停止定时器0 PRD=0x2710; /PRD=10000(D) TCR|=0x000A; /TDDR=10(D),所以定时器时钟=1/(20M/10/10000)=5ms IMR=0x0008; /使能定时器0中断 IFR=0xFFFF; /清除所有中断标志

17、位 asm( rsbx INTM); /全局使能可屏蔽中断 TCR&=0xFFEF; /开始定时器0 TCR|=0x0020; /复位定时起0/*/*/*/*中断服务子程序声明与定义*/interrupt void timer0() if (num=100) show=a0; /全亮 num+; else if(num=200) show=a1; /前四个灯亮 num+; else if(num=300) show=a2; /后四个灯亮 num+; else if(num=500) show=a3; /第一个和第八个亮 num+; else if(num=600) show=a4; /第二个和

18、第七个亮 num+; else if(num=700) show=a5; /第三个和第六个亮 num+; else if(num=800) show=a6; /第四个和第五个亮 num+; else if(num=900) show=a7; /第四个和第五个亮 num+; else if(num=1000) show=a8; /第三个和第六个亮 num+; else if(num=1100) show=a9; /第二个和第七个亮 num+; else if(num=1200) show=a10; /第一个和第八个亮 num=0; num+; return; /*/*主程序*/void main

19、(void) sys_ini(); timer0_ini(); for(;) port8001=show; /*结束*/ 四 CCS集成开发工具与测试4.1 CCS是什么通常，DSP厂商和第三方都会为DSP的开发应用提供各种各样的软硬件开发工具（代码生成工具和代码调试工具等）。早期的DSP开发工具没有集成化，需要在DOS环境下键入比较复杂的命令，使用起来不很方便，调试、开发的效率也不高。1999年，TI公司推出了CCS（Code Composer Studio）集成开发工具（直译为代码设计工作室），为DSP用户提供了十分便利的开发环境。CCS内部集成了以下软件工具： DSP代码生成工具（包括D

20、SP的C编译器、汇编优化器、汇编器和链接器等） CCS集成开发工具（编辑、链接和调试DSP目标程序）。 实时分析插件DSP/BIOS和实时数据交换模块RTDX等（必须有硬件开发板）。CCS是一种可视化集成开发工具，它集代码生成软件和代码调试工具于一体，具有强大的应用开发功能：可视化代码编辑界面：可以直接编写汇编语言和C语言程序、.H头文件和.CMD命令文件等。代码生成工具：包括DSP的汇编器、C编译器和链接器等。各种调试工具：包括加载执行文件、运行、单步操作、设置断点、查看编辑存储器和寄存器、观察变量、评估程序和执行时间等。探针工具：可将PC机数据文件中的数据传到DSP，或者将DSP中数据传到

21、PC机数据文件中，以便实现各种算法仿真和数据监视。图形显示工具：可以将DSP程序生成的数据绘制成时域/频域图等，以便于观察和分析。通用扩展语言GEL：可以让用户通过GEL语言编程，建立需要的GEL函数来扩展CCS的功能，包括配置各种参数、修改变量等。DSP/BIOS工具：它是DSP芯片简化了的操作系统内核，即各种DSP芯片操作系统的底层文件，为嵌入式系统应用提供基本的运行服务，具有代码较少、逻辑精简等优点。开放式的插入架构技术：只需安装相应的驱动程序，就能够集成第三方的专用插件。4.2 CCS窗口简介 CCS系统设置完成后，就可以打开CCS应用程序，在CCS集成开发环境下完成工程定义，程序的编

22、辑、编译、链接和调试，以及程序运行结果的分析和评估等工作。一个典型的CCS集成开发环境住窗口如下图所示。该示例窗口由菜单栏、工具栏、工程窗口、源程序编辑和调试窗口、存储器窗口、CPU寄存器窗口、输出窗口等组成。此外，还可以根据需要打开反汇编窗口、图形显示窗口、变量观察窗口，以及时钟窗口等。4.3 CCS中常用的工具菜单栏和CCS所有功能相关的菜单都在这里面。 编译工具栏编译程序时常用的一些工具。 调试工具栏调试程序时常用的一些工具。 工程文件框打开的工程所有文件会按类别放在这里，便于我们编程时在各个文件之间的切换。 代码编辑区顾名思义，代码都是在这里编辑完成的了，是我们最主要的工作区域。 编译

23、信息输出区编译时产生的信息会在这个区域内输出，能让我们直观的了解到正在编译哪个文件，编译过程中是否产生了错误，而这些错误是哪些，由于什么原因引起的，这些内容都会显示在这里。 五 课程设计总结体会 通过这次的课程设计，提高自己动手能力的同时也学到了很多有关方面的知识，对DSP有了更深入的理解，巩固了以前学到的知识，是自己更加充实。 通过调试以上程序运行无误，完成了流水灯要求，使用DSP芯片设计流水灯；使用数码管显示；利用程序延时，接口转换实现流水灯。 通过本次课程设计实现了用DSP芯片设计流水灯 , 学习到了很多关于DSP 的基础知识。并且更加深刻的巩固了课堂上所学的课本知识，DSP技术有了更进一步的认识和了解。掌握了DSP的基本实验方法，提高了工程设计和组织实验能力。【参考文献】张卫宁 DSP原理与应用教程 科学出版社 丁玉美 数字信号处理 西安电子科技大学出版社 张刚毅DSP原理、开发与应用哈尔滨工业大学出版社（第二版）