MS320C54x数字信号处理器硬件结构.ppt

1 DSP结构与MCU结构 MCU冯 诺依曼结构DSP哈佛结构 2 采用冯 诺依曼结构的处理器 3 冯 偌依曼结构处理方式 4 冯 偌依曼结构处理方式 5 哈佛结构处理方式 6 哈佛结构处理方式 7 改进的哈佛结构框图 程序存储器 总线交换器 CPU 扩展数据存储器 扩展程序存储器 数据存储器 数据总线 程序总线 复用总线 8 改进的哈佛结构的优点 解决了总线拥挤问题 提高了运算速度提供了总线数据交换器 保证了灵活性程序总线与数据总线宽度可以不同 可支持更强大的并行操作指令集以及保证足够高的运算精度从结构上为管道操作等硬件特性提供了基础 9 第2章TMS320C54x数字信号处理器硬件结构 2 1TMS320C54x的特点和硬件组成框图2 2TMS320C54x的总线结构2 3TMS320C54x的存储器分配2 4中央处理单元 CPU 2 5TMS320VC5402引脚及说明 10 11 2 1TMS320C54x的特点和硬件组成框图 TMS320C54x的主要特性如下所示 CPU先进的多总线结构 40位算术逻辑运算单元 ALU 17位 17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 12 存储器64K字程序存储器 64K字数据存储器以及64K字I O空间 在C548 C549 C5402 C5410和C5420中程序存储器可以扩展 13 指令系统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 14 在片外围电路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器特性 可编程定时器 并行主机接口 HPI 15 电源可用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 16 在片仿真接口具有符合IEEE1149 1标准的在片仿真接口 JTAG 速度单周期定点指令的执行时间为25 20 15 12 5 10 ns 40MIPS 50MIPS 66MIPS 80MIPS 100MIPS 17 图3 1TMS320C54xDSP的内部硬件组成框图1 18 图3 1TMS320C54xDSP的内部硬件组成框图2 19 2 2TMS320C54x的总线结构 TMS320C54xDSP采用先进的哈佛结构并具有八组总线 其独立的程序总线和数据总线允许同时读取指令和操作数 实现高度的并行操作 采用各自分开的数据总线分别用于读数据和写数据 允许CPU在同一个机器周期内进行两次读操作数和一次写操作数 独立的程序总线和数据总线允许CPU同时访问程序指令和数据 20 C54xDSP的总线结构 优化核 JTAGTEST EMLCONTROL ROM RAM 电源管理 程序 数据总线 外设总线 D 15 0 A 15 0 外设 21 C54xDSP的总线结构 C54x内部总线 程序 数据总线 22 C54xDSP的总线结构 23 程序总线 PB 传送从程序存储器来的指令代码和立即数 三组数据总线 CB DB和EB 连接各种元器件 如CPU 数据地址产生逻辑 程序地址产生逻辑 片内外设和数据存储器 CB和DB总线传送从数据存储器读出的操作数 EB总线传送写入到存储器中的数据 四组数据总线 PAB CAB DAB和EAB 传送执行指令所需要的地址 24 2 3TMS320C54x的存储器分配 2 3 1存储器空间2 3 2程序存储器2 3 3数据存储器2 3 4I O存储器 25 2 3 1存储器空间 TMS320C54x存储器由3个独立的可选择空间组成 程序空间 数据空间和I O空间 程序存储器空间包括程序指令和程序中所需的常数表格 数据存储器空间用于存储需要程序处理的数据或程序处理后的结果 I O空间用于与外部存储器映象的外设接口 也可以用于扩展外部数据存储空间 26 所有的C54xx芯片都包括随机访问存储器 RAM 和只读存储器 ROM RAM又分两种 双访问RAM DARAM 和单访问RAM SARAM 27 图3 2TMS320VC5402存储器分配图 28 图3 3C5402扩展程序存储器图 29 2 3 2程序存储器 通过MP 和OVLY位的设置 可以实现对片内存储器 ROM RAM 的配置 即哪些片内存储器映象在程序存储器空间 器件复位时 复位 中断和陷阱中断的向量映象在地址FF80H开始的程序存储器空间 然而 复位后这些向量可以被重新映象在程序存储器空间任何128字页的开始 这样 可以把向量表移出引导ROM 并重新配置其地址 30 2 3 3数据存储器 通过对处理器方式状态寄存器PMST的DROM位的设置 将片内ROM配置在数据存储器空间 DROM 1 这样 可以用指令将片内ROM作为数据存储器中的数据ROM来读取 复位时 DROM位被清0 64K字的数据存储器空间包括数据存储器映象寄存器 0000H 001FH是常用的CPU寄存器地址 0020H 005FH是片内外设寄存器的地址 表3 1 31 表3 1存储器映象寄存器 32 P45 33 34 2 3 4I O存储器 除程序存储器空间和数据存储器空间外 C54x系列器件还提供了I O存储器空间 利用I O空间可以扩展外部存储器 I O存储器空间为64K字 0000h FFFFh 有两条指令PORTR和PORTW可以对I O存储器空间操作 读写时序与程序存储器空间和数据存储器空间有很大不同 35 2 4中央处理单元 CPU CPU的基本组成如下 CPU状态和控制寄存器40位算术逻辑单元 ALU 40位累加器A和B桶形移位寄存器乘法器 加法器单元比较 选择和存储单元 CSSU 指数编码器 36 1 算术逻辑单元 ALU 和累加器TMS320C54x使用40位算术逻辑单元 ALU 和两个40位累加器 ACCA和ACCB 来完成算术运算和逻辑运算 且大多数都是单周期指令 ALU功能框图如图3 4所示 37 图3 4ALU功能框图 38 图3 5桶形移位器的功能框图 2 桶形移位寄存器 39 2 桶形移位寄存器桶形移位寄存器的输入可以为 从DB获得的16位操作数 从DB和CB获得的32位操作数 从累加器A或B获得的40位操作数 桶形移位寄存器的输出连到ALU或经过MSW LSW 最高有效字 最低有效字 写选择单元至EB总线 40 图3 6乘法器 加法器单元功能框图 3 乘法器 加法器单元 41 3 乘法器 加法器单元C54xCPU有一个17x17位的硬件乘法器 与40位的专用加法器相连 可以在单周期内完成一次乘法累加运算 乘法器的输出经小数 整数乘法 FRCT 输入控制后加到加法器的一个输入端 加法器的另一个输入端来自累加器A或B 加法器还包括零检测器 舍入器 二进制补码 及溢出 饱和逻辑电路 42 4 比较 选择和存储单元 CSSU 比较 选择和存储单元 CSSU 是专门为Viterbi算法设计的加法 比较 选择 ACS 操作的硬件单元 其功能框图如图3 7所示 CSSU支持均衡器和信道译码器所用的各种Viterbi算法 43 图3 7比较 选择和存储单元 CSSU 功能框图 44 比较 选择和存储单元 CSSU 完成累加器的高位字和低位字之间的最大值比较 即选择累加器中较大的字并存储在数据存储器中 不改变状态寄存器ST0中的测试 控制位和传送寄存器 TRN 的值 同时 CSSU利用优化的片内硬件促进Viterbi型蝶形运算 4 比较 选择和存储单元 CSSU 45 5 指数编码器指数编码器用于支持单周期指令EXP的专用硬件 在EXP指令中 累加器中的指数值能以二进制补码的形式存储在T寄存器中 指数值定义为前面的冗余位数减8的差值 即累加器中为消除非有效符号位所需移动的位数 当累加器中的值超过32位时 指数为负值 46 47 6 CPU状态和控制寄存器TMS320C54x有三个状态和控制寄存器 分别为状态寄存器ST0 状态寄存器ST1和处理器方式状态寄存器PMST ST0和ST1包括各种工作条件和工作方式的状态 PMST包括存储器配置状态和控制信息 状态寄存器ST0的位结构如图3 9所示 表3 2所示是ST0的说明 48 图3 9状态寄存器ST0位结构 49 表3 2状态寄存器ST0 50 图3 10状态寄存器ST1的位结构 51 表3 3状态寄存器ST1 1 52 表3 3状态寄存器ST1 2 53 图3 11处理器方式状态寄存器PMST的位结构 54 表3 4状态寄存器PMST 55 2 5TMS320VC5402引脚及说明 图3 12TMS320VC5402的引脚1 56 图3 12TMS320VC5402的引脚2 57 表3 5TMS320VC5402引脚说明1 58 表3 5TMS320VC5402引脚说明2 59 表3 5TMS320VC5402引脚说明3 60 表3 5TMS320VC5402引脚说明4 61 表3 5TMS320VC5402引脚说明5 62 表3 5TMS320VC5402引脚说明6 63 表3 5TMS320VC5402引脚说明7 64 表3 5TMS320VC5402引脚说明8 65 2 6TMS320C54xDSP的封装形式 1 TQFP 薄型正方形平面封装 2 BGA 球 形 网 状 阵列封装 66 2 7常用封装Package 四边扁平封装 TQFP 球格阵列 BGA 封装 SOIC LQFP 28PLCC 67 DSP和单片机的异同相同点 单片机是从早期的Z80微处理器发展来的 将微处理器的外围设备如ROM RAM 及外部串口集成在一个片子上 也叫微型计算机 而DSP可说是功能更强大的高级单片机 68 不同点 1 从片内资源看 DSP有硬件乘法器 单片机则没有 DSP的存储器容量比单片机大很多 2 从片内资源的连接看 DSP使用了改进的哈佛结构 就是数据和程序的存储可同时并行 广泛的使用了流水线的技术 69 3 DSP是运算密集型处理器 是为了高速运算而存在 单片机是事务型处理器 是为了处理事务而存在 DSP中的中断比单片机中要少很多 例如 手机 现在的手机都有单片机的核 ARM 和DSP的核 RM主要用来控制键盘 DSP的核主要是做语音的压缩和解压 无线信道的调制和解调 4 DSP的A D 如果有 比单片机精度要高 70 实验二 DSP入门实验 71 通用I O引脚 受软件控制的专用引脚 XFXF引脚用法举例 SSBXXFRSBXXF 72 实验内容 编写一个程序要求控制XF引脚的变化 然后用示波器测量XF脚波形或观察与相接的LED