DSP模板
SCP-9809使用說明書
北京世紀超拓科技發展有限公司
二零零二年二月
智能A/D采樣及參數辨識DSP模板
SCP-9809使用說明書
壹, 概述
智能A/D采樣及參數辨識DSP模板SCT-9809是按照標準4U機箱高度
設計的歐式插針控制板,采用TMS320C32 DSP芯片為主CPU,集中斷控制,
A/D采樣,開入開出,RS232/RS485通訊,同步通訊,CANBUS多功能於壹身,
可以完成高速模擬量采集與計算,自動控制,數據通訊等復雜工業控制任務.其
顯著特點是:高速,多功能,智能化.
本智能控制模板采用的高性能TMS320C32PCM60的DSP芯片,DSP即數
字信號處理器(Digital Signal Processor), 是目前應用最廣泛的技術之壹.所謂
信號處理就是對信號進行分析,變換,綜合,識別等加工處理,以達到有效提取
信息和便於利用的目的.其主要特點是高速,在DSP中專門設置了乘法累加器
結構,從硬件上實現了乘法器和累加器的並行工作,可在單指令周期內完成壹次
乘法並對乘積求和運算.DSP還有其它許多特點如內部操作,采用了時間上重疊
的流水線結構,大大提高了運算速度;特別的DSP指令集等等.廣泛應用於語
音,視頻,通訊,汽車,機器人,工業自動控制領域.運用計算機要想對語音和
音視頻這壹類頻帶較寬的信號進行實時處理是不現實的,即使今天的500MHz
時鐘的奔騰計算機要進行復雜的實時處理也很困難.而采用DSP則是最好的處
理方案.
二, DSP簡介
當今世界上生產DSP的公司主要有TI公司,AD公司, AT&T公司,
MOTOROLA公司等.其中以TI公司和AD公司的產品系列較為全面,而TI公
司的DSP市場占有率更達到40%.
TI公司的DSP產品全部以TMS320系列命名.早期的產品包括
TMS320C1x/2x/3x/C5x/C8x等系列;現在TI公司主推的產品包括三種新的DSP
系列,它們是:TMS320C2000,TMS320C5000,TMS320C6000系列.在老的
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TI DSP系列中,浮點C3x還是TI公司的主流產品(本板即采用浮點C32),TI
公司還在對這個系列型號作性能改進和制造廉價型,如新近推出的3.3V C33芯
片,采用0.18 m制造工藝,有1M RAM,速度為120Mflops. C33與其它C3X
器件代碼兼容,所以用戶可以保護其軟件環境,在他們換用新器件時還可以減少
開發時間.
DSP芯片和半導體存儲器,微處理器雖都屬於半導體器件(SC),實際上
前者與後兩者根本不同.DSP芯片需要依靠最先進的集成電路設計能力和最精密
的制造工藝,但更需要讓芯片變"活",變成有"思維"能力,所謂的"活"和"思維"
就是能按照完成某壹特定任務編制最佳的"程序",由DSP按此程序運作.DSP
技術包括兩部分:壹是算法(arithmetic)這是心臟;二是DSP器件本身是驅
體.
DSP的編程遠比電腦軟件編程復雜得多,現在的情況是計算機軟件人才易
得,DSP人才難求,DSP人才必須懂得"算法"和"編程" (計算機編程和DSP編
程).上海交大在DSP人才培養方面已探索出壹套方法,並與TI公司聯合為社
會培訓DSP應用人才,以適應我國電子產業發展的需要.
為了滿足FFT,卷積等數字信號處理的特殊要求,當前的DSP大多在指令
系統中設置了"循環尋址"(Circular addressing)及"位倒序"(bit-reversed)指令和其
他特殊指令,使得在作這些運算時尋址,排序及計算速度大大提高.單片DSP
作1024點復數FFT所得時間已降到微秒量級.
高速數據傳輸能力是DSP作高速實時處理的關鍵之壹.新型的DSP大多設
置了單獨的DMA總線及其控制器,在不影響或基本不影響DSP處理速度的情
況下,作並行的數據傳送,傳送速率可以達到每秒數百兆字節,主要受到片外存
儲器速度的限制.
隨著應用的日益廣泛,DSP已經成為了許多高級設計不可或缺的組成部分.
其結果,使DSP廠商的投資集小於DSP體系結構,智能化程度更高的編譯程序,
更好的查錯工具,以及更多的支持軟件.
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最明顯的結構改進在於提高"並行性",即在壹個指令周期內,DSP所能完成
的操作的數量.壹個突出例子是德克薩斯儀器公司(T1)1997年推出的帶有8個功
能單元,使用超長指令字(VLIW,Very Long Instruction Word)的
DSP TMS320C6x.這種32bit定點運算DSP在每個周期內可以完成8個操作,
其運算速度達到了每秒執行20億條指令(2000MIPS);如果片外存儲器能夠支持,
其DMA的數據傳輸能力可以達到每秒800MByte.
盡管當前的DSP已達到較高的水平,但在壹些實時性要求很高的場合,單
片DSP的處理和能力還不能滿足要求.因而,多處理器系統就成為提高應用性
能的重要途徑之壹.許多算法,例如數字濾波,FFT,矩陣運算等,都包含有建
立和-積形式的數列,或者是對矩陣壹類規則結構作有序處理.在許多情況下,都
可以將算法分解為若幹級,用串行或並行來加快處理速度.因此,新型DSP的
發展方向,是在提高單片DSP性能的同時,十分註重在結構設計上為多處理器
的應用提供方便.例如,TI的TMS320C40,設置了6個8bit的通信口,既可以
作級聯,也可以作並行連接.每個口都有DMA能力.這就是專門為多處理器應
用而設計的.
DSP系統設計和軟件開發是壹個重要而困難的問題,往往需要相當規模的仿
真調試系統,包括在線仿真器,許多電纜,邏輯分析儀以及其他的測試設備.在
多處理器系統中,這個問題尤為突出.為了方便用戶的設計與調試,許多DSP
在片上設置了仿真模塊或仿真調試接口.
TI在其TMS320系列芯片上設置了符合IEEE1149標準的JTAG
(Joint Test Action Group)標準測試接口及相應的控制器,從而不但能控制和觀察
多處理器系統中每壹個處理器的運行,測試每壹塊芯片,還可以用這個接口來裝
入程序.在PC機上插入壹塊調試插板,接通JTAG接口,就可以在PC上運行
壹個軟件去控制它.PC機上有多個窗口顯示,每個窗口觀察多個處理器中的壹
個,這就極大地簡化了多處理器系統開發的復雜性.在TMS320中,和JTAG測
試口同時工作的還有壹個分析模塊,它支持斷點的設置和程序存儲器,數據存儲
器,DMA的訪問,程序的單步運行和跟蹤,以及程序的分支和外部中斷的計數
等.
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DSP的處理速度越來越高,功能越來越強,但隨之而付出的代價是功耗也
越來越大.而且,隨著鐘頻的提高,功耗急速加大.盡管生產廠家幾乎沒有例外
地都采用了CMOS工藝等技術手段來降低功耗,但有的單片DSP的功耗已達10w
以上.隨著DSP的大量使用,特別是在用電池供電的便攜式設備中的大量使用,
例如便攜式計算機,移動通信設備和便攜式測試儀器等,迫切要求DSP在保持
與提高工作性能的同時,降低工作電壓,減小功耗.為此,各DSP生產廠家正
積極研制並陸續推出低電壓片種.在降低功耗方面,有的片種設置了IDLE或
WAIT狀態,在等待中斷到來期間,片內除時鐘和外設以外的電路都停止工作;
有的片種設置了STOP狀態,它比WAIT狀態更進壹步,連內部時鐘也停止工作,
但保留了堆棧和外設的狀態.總之,低工作電壓和低功耗已成為DSP性能表征
的重要技術指標之壹.
隨著專用集成電路(ASIC,Application Specific Integrated Circuit)的廣泛使
用,迫切要求將DSP的功能集成到ASIC中.例如,在磁盤/光盤驅動器,調制
解調器(Modem),移動通信設備和個人數字助理(PDA,Personal Digital Assistant)
等應用中,這種要求來得相當突出.為了順應這種發展並更加深入地開拓DSP
市場,各DSP生產廠家相繼提出了DSP核(DSP core)的概念並推出了相應的產品.
壹般說來,DSP核是通用DSP器件中的CPU部分,再配以按照客戶的需要所選
擇的存儲器(包括Cache,RAM;ROM,flash,EPROM等以及固化的用戶軟件)
和外設(包括串口,並口,主機接口,DMA,定時器等),組成用戶的ASIC.DSP
核概念的提出與技術的發展,使用戶得以將自己的設計,通過DSP廠家的專業
技術來加以實現,從而提高ASIC的水準,並大大縮短產品的上市時間.DSP核
的壹個典型的應用是U.S.Robots公司利用TI的DSP核技術所開發的X2芯片,
最早成功地將56kbps的Modem推向了市場.除開TI公司的TMS320系列DSP
核之外,Motorola公司的DSP66xx系列和AD公司的ADSP21000系列等,也都
是得到成功應用的DSP核.
在DSP硬件結構和性能不斷改善的同時,其開發環境和支持軟件,也得到
了迅速的發展與不斷的完善.
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各公司出品的DSP都有各自的匯編語言指令系統.使用匯編語言來編制DSP
應用軟件是壹件繁瑣與困難的工作.隨著DSP處理速度的加快與功能的增強,
其尋址空間越來越大,目標程序的規模也越來越大,從而使得用高級語言來對
DSP編程成為必須而且緊迫的任務.各公司陸續推出廠適用於DSP的高級語言
編譯器,主要是C語言編譯器,也有Ada,Pascal等編譯器.它們能將高級語言
編寫的程序,編譯成相應的DSP匯編源程序.程序員可在這裏對DSP源程序作
修改與優化,尤其是對實時處理要求很苛刻的部分作優化,然後匯編與連接,成
為DSP的目標代碼.
在應用軟件開發與調試環境方面,除開傳統的,在硬件或軟件仿真器上用
Debug來調試之外,各廠家陸續推出廠壹些針對DSP的操作系統(例如TI的
Code Composer/Code Composer Studio).
這些操作系統運行在IBM-PC或其他的主機上為DSP應用軟件的開發提供
良好的集成開發環境:用C語言等高級語言編寫的程序的調試,用針對DSP的C
語言等編譯器將其編譯成相應的DSP匯編源程序,進壹步的修改,調試與檢查,
最後匯編與連接成DSP可執行目標代碼.這些操作系統的適用範圍正在擴大.
DSP的生產廠家和壹些其他的軟件公司,為DSP應用軟件的開發準備了壹
些適用的函數庫與軟件工具包,如針對數字濾波器和各種數字信號處理算法的子
程序.以及各種接口程序等.這些經過優化的子程序為用戶提供了極大的方便.
隨著專用集成電路(ASIC)技術的發展和DSP應用範圍的迅速擴大,壹些
EDA公司也將DSP的硬件和軟件的開發納入了EDA工作站的工作範疇,陸續
推出了壹些大型軟件包,為用戶自行設計所需要的DSP芯片和軟件提供了更為
良好的環境.