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TMS320C2XX開發(fā)設(shè)計中應(yīng)注意的問題
摘要：以TMS320F206為例，闡述了TMS320C2XX系列DSP芯片硬軟件設(shè)計中應(yīng)注意的問題。著重探討了硬件設(shè)計、流水線沖突、中斷資源、閃速存儲器的使用等幾個重點問題。關(guān)鍵詞：TMS320F206 流水線 中斷 閃速存儲器
高速數(shù)字信號處理器是當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)的熱點技術(shù)之一，采用最先進的DSP無疑會使所開發(fā)的產(chǎn)品具有更強的市場競爭力。與普通的MCU相比，DSP芯片放棄了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，采用程序存儲器總線和數(shù)據(jù)存儲器總線分開的改進的哈佛結(jié)構(gòu)，獨立的程序和數(shù)據(jù)存儲器空間允許同時存取程序指定和數(shù)據(jù)，因而大大提高了處理速度。在改進的哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，DSP芯片廣泛采用流水線操作減少指令執(zhí)行時間，從而進一步增強了處理器的數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實時數(shù)字信號處理，但同時也給設(shè)計者帶來了高頻干擾和流水線沖突等諸多問題。
TMS320C2XX系列DSP芯片結(jié)構(gòu)資源相似，開發(fā)工具相同，因而其開發(fā)設(shè)計具有很高的可比性。TMS320F206（以下簡稱F206）是TI公司TMS320C2XX系列的一款高性價比定點DSP，目前已廣泛應(yīng)用于圖形圖像處理、語音處理、通信及儀器儀表等領(lǐng)域。由于DSP的開發(fā)、應(yīng)用方式與普通的MCU差異很大，因此探討其開發(fā)設(shè)計很有必要。筆者在設(shè)計以DSP為核心的產(chǎn)品開發(fā)F206時的幾點心得，希望對正在和即將進行TMS320C2XX列系DSP開發(fā)的同仁們有所幫助。
1 TMS320F206簡介
F206是100引腳的TQFP（正方扁平）封裝，它主要具有如下特點：
（1）處理能力強。若時鐘采用20MHz晶振，則指令周期50ns，運算能力高達20MIPS。DSP芯片采用靜態(tài)CMOS集成工藝制作，采用四級流水線操作，其先進的哈佛結(jié)構(gòu)允許對數(shù)據(jù)與指令的操作同時進行，因而大大提高了數(shù)據(jù)的吞吐率和指令的執(zhí)行速度，特殊的DSP指令系統(tǒng)提供了功能強大的數(shù)字信號處理操作。
（2）片內(nèi)具有32K×16位的閃速存儲器和4.5K×16位的RAM。利用閃速存儲器存儲程序，不令降低了成本、減小了體積，同時系統(tǒng)軟件升級也非常方便；大容量的片內(nèi)RAM可滿足大多數(shù)設(shè)計要求，無需擴展片外存儲器，既降低了成本又使硬件設(shè)計十分簡潔。
（3）地址映射分為4個可獨立尋址的空間：
·64K字程序存儲器，包含程序執(zhí)行所用的指令和數(shù)據(jù)。
·64K字本地數(shù)據(jù)存儲器，保存指令所用的數(shù)據(jù)。
·32K字全局數(shù)據(jù)存儲器，保存與其它處理器共用的數(shù)據(jù)，或者用作額外數(shù)據(jù)空間。本地數(shù)據(jù)存儲器的上端32K字（8000h-FFFFH）地址空間可用作全局數(shù)據(jù)存儲器。
·64K字的輸入/輸出（I/O）空間，與外部外圍接口，并且包含片內(nèi)外圍寄存器。
（4）資源豐富。F206具有1個同步串行口SSP、1個異步串行口ASP、1個軟件可編程定時器（TIMER）以及大量中斷資源和獨特的JTAG接口等。由于與目標系統(tǒng)之間采用了JTAG邏輯掃描電路接口（基于IEEE1149.1標準），在仿真時不占用硬件資源，且可隨時終止仿真察看CPU內(nèi)部及外設(shè)的工作情況，使得程序的調(diào)試和查錯十分方便。通過JTAG端口可向片內(nèi)Flash串行下載程序，無需專門的編程器（XDS510仿真器即具有編程功能），進一步減少了開發(fā)成本，便于開發(fā)設(shè)計和產(chǎn)品的軟件升級。
2 硬件設(shè)計與調(diào)試
2.1 硬件設(shè)計時應(yīng)注意的問題
F206硬件設(shè)計時，應(yīng)重點注意以下幾點：
（1）時鐘電路。DSP時鐘可由外部提供，也可由板上的振蕩器提供。但一般DSP系統(tǒng)中經(jīng)常使用外部時鐘輸入，因為使用外部時鐘時，時鐘的精度高、穩(wěn)定性好、使用方便。由于DSP工作是由時鐘為基準，如果時鐘質(zhì)量不高，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。因此，若采用外部時鐘，選擇晶振時應(yīng)對其穩(wěn)定性、毛刺做全面的檢驗，以便DSP系統(tǒng)可靠地工作。
（2）復(fù)位電路。應(yīng)同時設(shè)計上電復(fù)位電路和人工復(fù)位電路，在系統(tǒng)運行中出現(xiàn)故障時可方便地人工復(fù)位。對于復(fù)位電路，一方面應(yīng)確保復(fù)位低電平時間足夠長，保證DSP可靠復(fù)位；另一方面應(yīng)保證穩(wěn)定性良好，防止DSP誤復(fù)位。
（3）在DSP電路中，對所有的輸入信號必須有明確的處理，不能懸浮或置之不理。尤其要注意的是：若設(shè)計中沒有到不可屏蔽硬件中斷NMI，則硬件設(shè)計時應(yīng)確保將其相應(yīng)引腳拉高，否則程序運行時會出現(xiàn)不可預(yù)料的結(jié)果。若設(shè)計中用到NMI，也應(yīng)在程序正常執(zhí)行階段置其相應(yīng)引腳為高電平。
（4）模擬電路與數(shù)字電路應(yīng)分開布置，獨立布線后應(yīng)單點連接電源和地，避免相互干擾。
（5）DSP、片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器接入電源前，應(yīng)加濾波電容并使其盡量靠近芯片電源引腳，以濾除電源噪聲。另外，在DSP與片外程序存儲器和數(shù)字存儲器等關(guān)鍵部分周圍建議布上地網(wǎng)，以減少外界干擾。
（6）片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)盡量靠近DSP芯片放置，同時要合理布局，使數(shù)據(jù)線和地址線長短基本保持一致。對于DSP系統(tǒng)而言，應(yīng)選擇存取速率與DSP相仿的外部存儲器，不然DSP的高速處理能力將不能充分發(fā)揮。
DSP指令周期為ns級，因而DSP硬件系統(tǒng)中最易出現(xiàn)的問題是高頻干擾，因此在制作DSP硬件系統(tǒng)的印制電路板（PCB）時，應(yīng)特別注意對地址線和數(shù)據(jù)線等重要信號線的布線要做到正確合理。布線時盡量使高頻線短而粗，且遠離易受干擾的信號線，如模擬信號線等。
當(dāng)DSP周圍電路較復(fù)雜時，建議將DSP及其時鐘電路、復(fù)位電路、片外程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器制作成最小系統(tǒng)，以減少干擾、筆者曾在這個問題上花費大量時間和精力，由于干擾嚴重，DSP根本無法正常工作。后將DSP及其時鐘電路、復(fù)位電路、片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器制成最小系統(tǒng)，主要信號線通過金手指與其它相應(yīng)電路相連，結(jié)果DSP系統(tǒng)運行正常。
2.2 硬件調(diào)試時應(yīng)注意的問題
在硬件調(diào)試前，應(yīng)先對電路板進行細致的檢查，觀察有無短路或斷路情況（由于DSP的PCB板布線一般較密、較細，這種情況發(fā)生概率還是比較高的）。加電后，應(yīng)用手感覺是否有些芯片特別熱。如果發(fā)現(xiàn)有些芯片燙得厲害，需立即掉電重新檢查電路。排除故障后，接著就應(yīng)檢查晶體是否振蕩，復(fù)位是否正確可靠。然后用示波器檢查DSP的CLK-OUT1和CLK-OUT2引腳的信號是否正常，若正常則表明DSP本身工作基本正常。
2.2.1 保證電源的穩(wěn)定可靠
在DSP硬件系統(tǒng)調(diào)試前，應(yīng)確保給實驗板供電的電源有良好的恒壓恒流特性。尤其要注意的是，DSP的入口電壓應(yīng)保持在5.0±0.05V。電壓過低，則通過JTAG接口向Flash寫入程序時，會出現(xiàn)錯誤提示；電壓過高，則會損壞DSP芯片。由于電源電壓過高，筆者曾有過一個上午燒壞3塊DSP的慘痛經(jīng)歷。另外，由于在調(diào)試時要頻繁對實驗板接電和斷電，若電源質(zhì)量不好，則很可能在突然上電時因電壓陡升而燒壞DSP芯片。這樣既會造成經(jīng)濟損失，又將影響開發(fā)進度。因此，在調(diào)試前應(yīng)高度重視電源的選擇，同時在調(diào)試過程中應(yīng)經(jīng)常檢查電源是否正常。
2.2.2 利用仿真軟件排除硬件故障
在完成地電路板的檢查后，就可通過仿真軟件來調(diào)試程序。由于仿真時，程序代碼下載到目標系統(tǒng)中的片外程序存儲器，因而通過仿真軟件可以比較容易地檢查出一些硬件故障。
在上電后，若仿真軟件調(diào)試窗口始終無法調(diào)入程序，則有兩種可能：（1）DSP芯片引腳存在斷路或短路現(xiàn)象；（2）DSP芯片損壞。倘若是第一次利用仿真器軟件調(diào)試程序，此時應(yīng)對實驗板斷電，仔細檢查DSP芯片各引腳的焊接情況。如果軟件調(diào)試窗口曾正確調(diào)入程序，則可能是DSP芯片損壞。此時，可通過檢測實驗板的整板阻抗進一步判斷DSP芯片是否受損。若整板阻抗急劇下降，可將給DSP芯片供電的電源線割斷，檢測DSP芯片的電阻。正常的DSP芯片的電阻為MΩ級，若被測芯片電阻明顯低于該值，則可斷定DSP芯片已被燒壞。
如果軟件調(diào)試窗口可調(diào)入程序，但調(diào)入的程序局部出錯，如對片外程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器操作的代碼變成了.word xxxx，此時可能是片外程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器出現(xiàn)故障。應(yīng)仔細檢查器是否存在短路或虛焊，若不存在則應(yīng)進一步判斷存儲器是否受損。本人曾遇到上述現(xiàn)象，后經(jīng)仔細檢查，發(fā)現(xiàn)存儲器有引腳虛焊。
3 軟件設(shè)計與調(diào)試
哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作現(xiàn)加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計，使得DSP芯片的指令周期為ns級，快速的指令周期可使DSP芯片能夠?qū)崟r實現(xiàn)許多應(yīng)用。但在實際的程序設(shè)計中，DSP芯片的這些特點卻給程序設(shè)計者帶來了許多意想不到的麻煩。下面，筆者將根據(jù)自身的實際經(jīng)驗介紹編程與調(diào)試時應(yīng)注意的一些問題。
3.1 流水線沖突
F206采用四級流水線操作，指令流水線由一系列總線操作組成，它具有4個獨立的操作階段：取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行。由于4個操作階段是獨立的，因此這些操作可以交疊地進行；在任意的指令周期內(nèi)，1到4個不同的指令均可有效，各條指令均處于一個同的完成階段。因此，流水線沖突是不可避免的。通常情況下，發(fā)生流水線沖突時，編程者可通過調(diào)整程序語句的次序或在相應(yīng)位置插入一定數(shù)量的NOP來解決。
3.2 設(shè)置等待狀態(tài)寄存器
對高速的DSP而言，它的讀操作從地址穩(wěn)定到數(shù)據(jù)有效僅需幾十ns的時間，而DSP外設(shè)的速度則參差不齊。為了解決高速DSP與低速外設(shè)在速度上的沖突，在高速的DSP與存儲器等外設(shè)的接口之間，等待狀態(tài)的設(shè)計是一個關(guān)鍵的問題。若DSP不能與外設(shè)很好配合，則會導(dǎo)致程序執(zhí)行結(jié)果出錯。F206內(nèi)置一個軟件可編程等待狀態(tài)寄存器（WSGR），通過設(shè)置WSGR，可分別為片外存儲器和I/O端口設(shè)置CPU的等待時間。
在程序調(diào)試過程中，若程序隨機運行，或仿真軟件調(diào)試窗口出現(xiàn)“Time out waiting for device”紅色告警字樣時，而程序流程沒有問題，則可是DSP與外部慢速器件配件不正常，此時應(yīng)重新設(shè)置等待狀態(tài)寄存器，增加CPU等待外設(shè)的時間。由于例程[2]中WSGR值均為0000h，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)，使初學(xué)者誤以為在任何情況下WSGR值均為0000h。筆者在調(diào)試程序時，曾遇到這個問題，后來不斷調(diào)整WSGR的設(shè)置，終于使程序能夠正常執(zhí)行。在具體應(yīng)用中，程序設(shè)計者應(yīng)根據(jù)實際用到的片外資源設(shè)置WSGR的值，切忌盲從。
3.3 保留區(qū)域
編程時應(yīng)注意設(shè)計中程序、數(shù)據(jù)存儲器配置的地址映射，切記不能向任何保留地址寫數(shù)據(jù)，否則將造成處理器的不可預(yù)測操作。F206程序存儲器地址FE00h～FEFFh(片外)為保留地址，數(shù)據(jù)存儲器地址0000h～0005Fh、0080h～01FFH、0200h～02FFh(CNF=1時)和0400h～07FFh均為保留地址。
3.4 中斷資源
F206中斷資源豐富，其0000h～003fh地址單元對應(yīng)中斷向量空間，每個中斷矢量均為一條轉(zhuǎn)移指令，該指令要求4個8bit字，因而中斷向量空間可容納32個中斷矢量。對于程序設(shè)計中沒有用到的向量空間，應(yīng)填零以防意外。F206不支持中斷嵌套，當(dāng)它響應(yīng)了某個硬件中斷時，會自動將其中斷標志位和中斷允許位INTM置1（INTM為1，禁止所有中斷），但在中斷服務(wù)程序結(jié)束后不會自動將二者清零。因此，在中斷服務(wù)程序結(jié)束前，應(yīng)先將這兩個標志位清零，否則DSP將無法正常響應(yīng)中斷。注意，DSP中向標志位寫入1才能對標志位清零，并且應(yīng)先清除中斷標志位，然后再對中斷允許位INTM清零。
若某一中斷客觀存在，而程序中又無相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，則會導(dǎo)致程序紊亂。如在中斷屏蔽寄存器（IMR）中將異步串行口的傳送/接收中斷打開，此時若異步串行口控制寄存器（ASPCR）指傳送或接收中斷屏蔽，此時仍會產(chǎn)生該中斷，只是寫入異步數(shù)據(jù)發(fā)送和接收寄存器（ADTR）或讀ADTR的值為零，因而編程時還要對ADTR進行讀或?qū)懱幚�，而不能只是簡單地清除其中斷標志位和中斷允許位后返回。筆者曾因這個問題耗時多日，程序調(diào)試總不能得到正確的結(jié)果，后編寫入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序后，再進行調(diào)試終于得到了正確結(jié)果。(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)
NMI中斷可用作軟件復(fù)位，但因為中斷矢量僅僅是一條轉(zhuǎn)移指令，因而它既不中止存儲器操作也不初始化狀態(tài)位。如果要求DSP重新對外圍器件設(shè)置，則利用NMI軟件復(fù)位不能滿足要求。根據(jù)實際，筆者設(shè)計了一個利用NMI中斷硬件復(fù)位DSP的電路，如圖1所示。
在NMI中斷服務(wù)程序中，DSP給PO6口一個正永沖即可使DSP復(fù)位，但應(yīng)注意新增電路中的RC時間常數(shù)應(yīng)小于DSP原有復(fù)位電路的RC時間常數(shù)，以免影響DSP正常復(fù)位。
3.5 數(shù)據(jù)頁DP
在所有程序中必須初始化DP。初始化DP非常重要，復(fù)位不能初始化DP，并且上電時，DP是不確定的。沒有初始化DP的程序就不能正確執(zhí)行。另外，在編程時應(yīng)注意：①DSP對片內(nèi)存儲區(qū)的訪問比片外存儲區(qū)要快，因此應(yīng)將經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)分配至片內(nèi)存儲空間，以提高數(shù)據(jù)處理速度。②盡可能采用直接尋址的尋址方式，這樣可在提供大數(shù)據(jù)訪問能力的同時，提高指令速度。這種尋址方式具有128字節(jié)的尋址能力，但尋址范圍是指定DP下的128字。當(dāng)程序復(fù)雜特別是在中斷存在的情況下，改變DP的值很容量造成程序的混亂�；诖丝紤]一般將DP的值固定不變，盡可能合理地在各功能模塊間分配這128個高效且使用方便的存儲單元。應(yīng)特別注意的是，DP的值置零，在操作完成后再將DP的值還原，這是因為IFR、IMR的地址都是DP為零的相對地址。另外，在中斷程序入口如果使用直接尋址方式保存狀態(tài)寄存器的值，那么在中斷返回之間裝載所保存的值時，也應(yīng)先將DP的值設(shè)成零，否則程序?qū)o法正常運行。
3.6 內(nèi)置閃速存儲器（Flash）
F206的一個顯著優(yōu)勢是具備32K×16位的片內(nèi)閃速存儲器，它具有可擦除、可編程和非易失電源等特點。在復(fù)位期間，通過將MP/MC置為低電平可選擇閃存。利用JTAG接口向目標系統(tǒng)下載程序包括：Flash的清零（clear,所有位清零）、擦除（erase，所有位置1）及編程。其片內(nèi)Flash，由兩塊相對獨立的16KB Flash組成，因而每次清零、擦除需對兩塊16KB Flash分別進行。F206運算速度有20、28.5和40MIPS，但程序代碼成功燒錄進片F(xiàn)lash的前提條件是其工作于20MIPS，否則程序無法燒尋進DSP。另外應(yīng)將NMI中斷相應(yīng)引腳拉高，否則由JTAG將程序代碼燒錄進Flash時會出現(xiàn)錯誤提示，使燒錄無法完成。
筆者在調(diào)試程序時曾遇到這樣的情況，程序在仿真時可以正常運行，燒錄到Flash后卻無法運行了。原因是上電時DSP外圍芯片復(fù)位時間長于DSP的啟動時間，后來嘗試著在程序初始化之前插入一段延時（約為幾十ms），重新燒錄后程序執(zhí)行正常。
DSP技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，DSP的應(yīng)用也日益廣泛。了解和掌握DSP技術(shù)，并應(yīng)用DSP技術(shù)開發(fā)新一代高科技產(chǎn)品十分必要。本文介紹的DSP開發(fā)中應(yīng)注意的幾個問題，可以大大縮短開發(fā)時間，僅供讀者參考。
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