原创 定点DSP芯片TMS320F2812实现快速算法应用

摘要：论述了以DSP芯片TMS320F2812为核心的一种测量仪器的组成原理、设计思想以及快速定点算法的实现方法,同时对定点和浮点算法结果进行了比较。

关键词：定点芯片;浮点运算;快速算法;系统配置;TMS320F2812

１ TMS320F2812简介

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２是ＴＩ公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的３２位定点ＤＳＰ芯片。该芯片兼容ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７指令系统最高可在１５０ＭＨｚ主频下工作,并带有１８ｋ×１６位０等待周期片上ＳＲＡＭ和１２８ｋ×１６位片上ＦＬＡＳＨ（存取时间３６ｎｓ）。其片上外设主要包括２×８路１２位ＡＤＣ（最快８０ｎｓ转换时间）、２路ＳＣＩ、１路ＳＰＩ、１路ＭｃＢＳＰ、１路ｅＣＡＮ等,并带有两个事件管理模块（ＥＶＡ、ＥＶＢ）,分别包括６路ＰＷＭ／ＣＭＰ、２路ＱＥＰ、３路ＣＡＰ、２路１６位定时器（或ＴｘＰＷＭ／ＴｘＣＭＰ）。另外,该器件还有３个独立的３２位ＣＰＵ定时器,以及多达５６个独立编程的ＧＰＩＯ引脚,可外扩大于１Ｍ×１６位程序和数据存储器。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２采用哈佛总线结构,具有密码保护机制,可进行双１６×１６乘加和３２×３２乘加操作,因而可兼顾控制和快速运算的双重功能。

通过对ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２定点ＤＳＰ芯片合理的系统配置和编程可实现快速运算,本文着重对此加以说明。

２ TMS320F2812基本系统配置

２．１ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２时钟

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的片上外设按输入时钟可分为如下４个组：

(１)ＳＹＳＯＵＴＣＬＫ组：包括ＣＰＵ定时器和ｅＣＡＮ总线,可由ＰＬＬＣＲ寄存器动态地修改;

(２)ＯＳＣＣＬＫ组：主要是看门狗电路,由ＷＤＣＲ寄存器设置分频系数;

(３)低速组：有ＳＣＩ、ＳＰＩ、ＭｃＢＳＰ,可由ＬＯＳＰＣＰ寄存器设置分频系数;

(４)高速组：包括ＥＶＡ／Ｂ、ＡＤＣ,可由ＨＩＳＰＣＰ寄存器设置分频系数。

为了使系统具有较快的工作速度,除了定时器和ＳＣＩ等少数需要低速时钟的地方,其它外设均可以１５０ＭＨｚ时钟工作。

２．２ 存储空间

图１所示是ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的内部存储空间映射图。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为哈佛（Ｈａｒｖａｒｄ）结构的ＤＳＰ,即在同一个时钟周期内可同时进行一次取指令、读数据和写数据的操作。在逻辑上有４Ｍ×１６位程序空间和４Ｍ×１６位数据空间,但物理上已将程序空间和数据空间统一为一个４Ｍ×１６位的存储空间,各总线按优先级由高到低的顺序为：数据写、程序写、数据读、程序读。其中由ＣＹ７Ｃ１０４１扩展的２５６ｋ×１６位ＳＡＲＡＭ位于Ｚｏｎｅ ６（０ｘ１０００００～０ｘ１３ＦＦＦＦ）,存取时间不小于１２ｎｓ;１２８ｋ×１６位ＦＬＡＳＨ空间（０ｘ３Ｄ８０００～ ０ｘ３Ｆ７ＦＦＦ）取指时间不小于３６ｎｓ。为了尽可能提高器件的工作速度,在对FLASH寄存器编程使其在较高速度下工作的同时,可将时间要求比较严格的程序（如时延计算子程序、FIR滤波子程序等）、变量（如FIR滤波器系数、自适应算法的权向量等）各堆栈空间搬移到H0、L0、L1、M0、M1空间来运行。

2.3 中断

TMS320F28x系列DSP片上都有非常丰富的外设,每个片上外设均可产生1个或多个中断请求。中断由两级组成,其中一级是PIE中断,另一级是CPU中断。CPU中断有32个中断源,包括RESET、NMI、EMUINT、ILLEGAL、12个用户定义的软件中断USER1～USER12和16个可屏蔽中断（INT1～INT14、RTOSINT和DLOGINT）。所有软件中断均属于非屏蔽中断。由于CPU没有足够的中断源来管理所有的片上外设中断请求,所以在TMS320F28x系列DSP中设置了一个外设中断扩展控制器（PIE）来管理片上外设和外部引脚引起的中断请求。

PIE中断共有96个,被分为12个组,每组内有8个片上外设中断请求,96个片上外设中断请求信号可记为INTx.y(x=1,2,…,12;y=1,2,…,8)。每个组输出一个中断请求信号给CPU,即PIE的输出INTx(x=1,2,…,…12）对应CPU中断输入的INT1～INT12。TMS320F28x系列DSP的96个可能的PIE中断源中有45个被TMS320F2812使用,其余的被保留作以后的DSP器件使用。

ADC、定时器、SCI编程等均以中断方式进行,可提高CPU的利用率。

2.4 复位引导

图2所示是TMS320F2812的片上引导ROM空间映射。其此导程序配置在图2中的0x3FFC00～0x3FFFBF,根据图1,设置VMAP=1,MP/MC=0,ENPIE=0,复位向量指向片上0x3FFFC0,而片上0x3FFFC0中内容为0x3FFC00,即指向图2中的引导程序。配置表2中的GPIOF4（SCITXDA）=1,则转向FLASH中的0x3F7FF6开始执行程序,最后在0x3F7FF6片设置跳转指令指向用户程序的开始处,以开始运行用户程序。由于在实际应用中使用了PIE中断,因此,在用户应用程序中,应首先初始化PIE中断向量表,然后使能PIE。

3 编程设计

编程是实现系统正常工作和快速运算必不可少的重要环节。在系统配置合理的条件下,用定点芯片实现快速运算的关键用整数取代浮点数进行计算处理。用C编译器时,为产生最优代码,应遵循以下原则：

（1）将除法转换为乘法,尽量使编译器产生MAC指令,以充分利用DSP的硬件乘法器资源进行快速运算,且应使MAC的操作数为局部变量以分配到寄存器中（或到一个累加器中）。

（2）尽可能使用静态直接插入函数,以节省函数调用的额外开销。

（3）对FOR循环的上限,使用常数或具有常数属性的变量可产生重复指令RPT。

3.1 ADC编程

TMS20F2812带有两个8选1多路切换器和双采样/保持器的12位ADC,模拟量输入范围为0～3V,最快转换速率为80ns,选用10kSPS采样率,并采用EVA的定时器（0.1ms）自动触发方式,可同时采样4个通道,并采用每次转换结束的中断方式来纪录采样结果（右移4位）。

转换结果=（212-1）×（输入的模拟信号-ADCLO）/3

ADC转换时,首先初始化DSP系统,然后设置PIE中断矢量表,再初始化ADC模块,接着将ADC中断的入口地址装入中断矢量表并开中断,然后再启动0.1ms定时器,同时等待ADC中断,最后在ADC中断中读取ADC转换结果,并用软件启动下一次中断。