《電子技術(shù)應(yīng)用》
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定點DSP芯片TMS320F2812實現(xiàn)快速算法
摘要: TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片。該芯片兼容TMS320LF2407指令系統(tǒng)最高可在150MHz主頻下工作,并帶有18k×16位0等待周期片上SRAM和128k×16位片上FLASH(存取時間36ns)。其片上外設(shè)主要包括2×8路12位ADC(最快80ns轉(zhuǎn)換時間)、2路SCI、1路SPI、1路McBSP、1路eCAN等,并帶有兩個事件管理模塊(EVA、EVB),分別包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定時器(或TxPWM/TxCMP)。另外,該器件還有3個獨立的32位CPU定時器,以及多達56個獨立編程的GPIO引腳,可外擴大于1M×16位程序和數(shù)據(jù)存儲器。TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu),具有密碼保護機制,可進行雙16×16乘加和32×32乘加操作,因而可兼顧控制和快速運算的雙重功能。
關(guān)鍵詞: DSP TMS320F2812
Abstract:
Key words :

1 TMS320F2812簡介
  
      TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片。該芯片兼容TMS320LF2407指令系統(tǒng)最高可在150MHz主頻下工作,并帶有18k×16位0等待周期片上SRAM和128k×16位片上FLASH(存取時間36ns)。其片上外設(shè)主要包括2×8路12位ADC(最快80ns轉(zhuǎn)換時間)、2路SCI、1路SPI、1路McBSP、1路eCAN等,并帶有兩個事件管理模塊(EVA、EVB),分別包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定時器(或TxPWM/TxCMP)。另外,該器件還有3個獨立的32位CPU定時器,以及多達56個獨立編程的GPIO引腳,可外擴大于1M×16位程序和數(shù)據(jù)存儲器。TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu),具有密碼保護機制,可進行雙16×16乘加和32×32乘加操作,因而可兼顧控制和快速運算的雙重功能。
  
      通過對TMS320F2812定點DSP芯片合理的系統(tǒng)配置和編程可實現(xiàn)快速運算,本文著重對此加以說明。
  
2 TMS320F2812基本系統(tǒng)配置
  
2. 1 TMS320F2812時鐘
  
      TMS320F2812的片上外設(shè)按輸入時鐘可分為如下4個組:
  
(1)SYSOUTCLK組:包括CPU定時器和eCAN總線,可由PLLCR寄存器動態(tài)地修改;
  
(2)OSCCLK組:主要是看門狗電路,由WDCR寄存器設(shè)置分頻系數(shù);
  
(3)低速組:有SCI、SPI、McBSP,可由LOSPCP寄存器設(shè)置分頻系數(shù);
  
(4)高速組:包括EVA/B、ADC,可由HISPCP寄存器設(shè)置分頻系數(shù)。
  
      為了使系統(tǒng)具有較快的工作速度,除了定時器和SCI等少數(shù)需要低速時鐘的地方,其它外設(shè)均可以150MHz時鐘工作。
  
2.2 存儲空間
  
      圖1 所示是TMS320F2812的內(nèi)部存儲空間映射圖。TMS320F2812為哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)的DSP,即在同一個時鐘周期內(nèi)可同時進行一次取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作。在邏輯上有4M×16位程序空間和4M×16位數(shù)據(jù)空間,但物理上已將程序空間和數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一為一個4M×16位的存儲空間,各總線按優(yōu)先級由高到低的順序為:數(shù)據(jù)寫、程序?qū)?、?shù)據(jù)讀、程序讀。其中由CY7C1041擴展的256k×16位SARAM位于Zone 6(0x100000~0x13FFFF),存取時間不小于12ns;128k×16位FLASH空間(0x3D8000~ 0x3F7FFF)取指時間不小于36ns。為了盡可能提高器件的工作速度,在對FLASH寄存器編程使其在較高速度下工作的同時,可將時間要求比較嚴格的程序(如時延計算子程序、FIR濾波子程序等)、變量(如FIR濾波器系數(shù)、自適應(yīng)算法的權(quán)向量等)各堆棧空間搬移到H0、L0、L1、M0、M1空間來運行。

2.3 中斷
  
      TMS320F28x系列DSP片上都有非常豐富的外設(shè),每個片上外設(shè)均可產(chǎn)生1個或多個中斷請求。中斷由兩級組成,其中一級是PIE中斷,另一級是CPU中斷。CPU中斷有32個中斷源,包括RESET、NMI、EMUINT、ILLEGAL、12個用戶定義的軟件中斷USER1~USER12和16個可屏蔽中斷(INT1~INT14、RTOSINT和DLOGINT)。所有軟件中斷均屬于非屏蔽中斷。由于CPU沒有足夠的中斷源來管理所有的片上外設(shè)中斷請求,所以在TMS320F28x系列DSP中設(shè)置了一個外設(shè)中斷擴展控制器(PIE)來管理片上外設(shè)和外部引腳引起的中斷請求。
  
      PIE中斷共有96個,被分為12個組,每組內(nèi)有8個片上外設(shè)中斷請求,96個片上外設(shè)中斷請求信號可記為INTx.y(x=1,2,…,12;y=1,2,…,8)。每個組輸出一個中斷請求信號給CPU,即PIE的輸出INTx(x=1,2,…,…12)對應(yīng)CPU中斷輸入的INT1~INT12。TMS320F28x系列DSP的96個可能的PIE中斷源中有45個被TMS320F2812使用,其余的被保留作以后的DSP器件使用。
  
      ADC、定時器、SCI編程等均以中斷方式進行,可提高CPU的利用率。
  
2.4 復(fù)位引導(dǎo)
  
      圖2所示是TMS320F2812的片上引導(dǎo)ROM空間映射。其此導(dǎo)程序配置在圖2中的0x3FFC00~0x3FFFBF,根據(jù)圖1,設(shè)置VMAP=1,MP/MC=0,ENPIE=0,復(fù)位向量指向片上0x3FFFC0,而片上0x3FFFC0中內(nèi)容為0x3FFC00,即指向圖2中的引導(dǎo)程序。配置表2中的GPIOF4(SCITXDA)=1,則轉(zhuǎn)向FLASH中的0x3F7FF6開始執(zhí)行程序,最后在0x3F7FF6片設(shè)置跳轉(zhuǎn)指令指向用戶程序的開始處,以開始運行用戶程序。由于在實際應(yīng)用中使用了PIE中斷,因此,在用戶應(yīng)用程序中,應(yīng)首先初始化PIE中斷向量表,然后使能PIE。

  
3 編程設(shè)計
  
      編程是實現(xiàn)系統(tǒng)正常工作和快速運算必不可少的重要環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)配置合理的條件下,用定點芯片實現(xiàn)快速運算的關(guān)鍵用整數(shù)取代浮點數(shù)進行計算處理。用C編譯器時,為產(chǎn)生最優(yōu)代碼,應(yīng)遵循以下原則:
  
(1)將除法轉(zhuǎn)換為乘法,盡量使編譯器產(chǎn)生MAC指令,以充分利用DSP的硬件乘法器資源進行快速運算,且應(yīng)使MAC的操作數(shù)為局部變量以分配到寄存器中(或到一個累加器中)。
  
(2)盡可能使用靜態(tài)直接插入函數(shù),以節(jié)省函數(shù)調(diào)用的額外開銷。
  
(3)對FOR循環(huán)的上限,使用常數(shù)或具有常數(shù)屬性的變量可產(chǎn)生重復(fù)指令RPT。
  
3.1 ADC編程
  
      TMS20F2812帶有兩個8選1多路切換器和雙采樣/保持器的12位ADC,模擬量輸入范圍為0~3V,最快轉(zhuǎn)換速率為80ns,選用10kSPS采樣率,并采用EVA的定時器(0.1ms)自動觸發(fā)方式,可同時采樣4個通道,并采用每次轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷方式來紀錄采樣結(jié)果(右移4位)。
  
      轉(zhuǎn)換結(jié)果=(212 -1)×(輸入的模擬信號-ADCLO)/3
  
      ADC轉(zhuǎn)換時,首先初始化DSP系統(tǒng),然后設(shè)置PIE中斷矢量表,再初始化ADC模塊,接著將ADC中斷的入口地址裝入中斷矢量表并開中斷,然后再啟動0.1ms定時器,同時等待ADC中斷,最后在ADC中斷中讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果,并用軟件啟動下一次中斷。
  
3.2 FIR濾波器編程
  
      目標信號對某些低頻干擾非常敏感,它將直接響應(yīng)到定位結(jié)果和數(shù)據(jù)的有效性。為了在濾波后不影響時延數(shù)據(jù)的計算,可采用線性相位的FIR濾波器。濾波器系數(shù)h(i)用MATLAB的產(chǎn)生,并在變成整形然后固化到程序中,這樣做(而不是單獨計算濾波器系數(shù))的目的是為了實現(xiàn)快速濾波而不會過多增加整個測量系統(tǒng)定位計算的時間。
  
3.3 定位算法的移植
  
      由于定位算法采用自適應(yīng)時延估計法,因此計算量非常龐大,對DSP芯片性能要求較高。TMS320F2812具有32位硬件乘法器和累加器,其RPT指令非常適合循環(huán)計算,處理能力可達150MIPS,因而具有較高的性能。但它是一款定點處理芯片,需要使用定點算法來解決處理量大的問題。因此,對初始數(shù)據(jù)、權(quán)矢量應(yīng)采用16位整形變量(Q=12:由ADC轉(zhuǎn)換精度決定),而循環(huán)計算中產(chǎn)生的中間結(jié)果則使用32位整形變量(Q=20:在結(jié)果不溢出的情況下盡量滿足計算精度);至于對三角函數(shù)等的運算,可用查表法并利用圖2中的表格來進行快速計算。
  
      C編譯器帶有浮點運算庫,因此可將浮點算法和定點算法的結(jié)果進行比較,對于4路各1024點數(shù)據(jù)處理,用浮點算法實現(xiàn)約需3.6秒,而用定點算法只需1.3秒。
  
      另外,還可對算法進行優(yōu)化。第一是將經(jīng)常使用的中間變量配置到等待周期為0的內(nèi)存中;第二是采用FLASH加速技術(shù)(使能FOPT寄存器的ENPIPE位實現(xiàn)預(yù)指機制的FLASH流水線模式),這樣可以達到100~120MIPS的處理能力,大大高于其本身36ns的讀取能力。需要注意的是,由于TMS320F2812的保護機制,對FLASH寄存器進行存取的這段程序必須搬移到L0、L1中執(zhí)行。盡管這樣,將這段對時間要求比較荷記得的算法移植到內(nèi)存H0中,可以達到最高150MIPS的處理速度,并能使用函數(shù)memcpy()完成程序的搬移。
  
4 結(jié)束語
  
      在計算量較大時,通常選用浮點DSP芯片。實際上,為了充分利用定點DSP芯片的片上資源,也能利用本文所介紹的方法選用定點芯片來達到較高的計算速度,這樣可節(jié)省硬件設(shè)計費用和周期,并降低功耗。

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