TMS320F206定點(diǎn)DSP芯片開發(fā)實(shí)踐

出處：lichunqi24 發(fā)布于：2007-05-25 10:52:42

摘要：以TMS320F206為例，著重探討了DSP系統(tǒng)開發(fā)過程中的硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試、軟件設(shè)計(jì)中的流水線沖突、等待狀態(tài)設(shè)置以及如何利用閃速存儲(chǔ)器等相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞： TMS320F206；流水線；等待狀態(tài)；閃速存儲(chǔ)器

中圖分類號(hào)：TN492 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-353X(2002)03-0048-04

Developing practice of the TMS320F206 fixed-point DSP chip

WU Ling-ling ，YAO Da-wei ，YIN Xiao-gong

(Institute of Electrical Engineering，Wuhan University, Wuhan 430072，China)

Abstract: Taking TMS320F206 as an example,the paper probes into the hardware design and debug of the DSP system, assembly line conflict of software design, the setting of waiting states and how to utilize the flash memory and so on.

Keywords: TMS320F206；assembly line；waiting states；flash memory

1 引言

高速數(shù)字信號(hào)處理器是當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)之一，采用的DSP無疑會(huì)使所開發(fā)的產(chǎn)品具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。與傳統(tǒng)的普通單片機(jī) 相比，DSP芯片放棄了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，代之以程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)。從而大大提高了處理速度，指令周期多為ns級(jí)，比普通單片機(jī)(多為ms級(jí))快了3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在硬件設(shè)計(jì) 中要考慮高頻干擾問題。同時(shí)，DSP芯片廣泛采用流水線操作，這也會(huì)給軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來一定不便^[2]。諸如此類的問題在實(shí)際開發(fā)中還有許多。筆者以TI公司的TMS320F206^[1]為例，就DSP 芯片的軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試中可能遇到的問題及解決方法進(jìn)行闡述。

2 TMS320F206簡(jiǎn)介

F206是TI公司近年推出的一種性價(jià)比較高的定點(diǎn)DSP芯片。它的主要特點(diǎn)有：

(1)采用靜態(tài)CMOS集成工藝制作而成，先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)使得程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問，兩條總線可允許數(shù)據(jù)與指令的讀取同時(shí)進(jìn)行，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍；高度化的指令系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的信號(hào)處理操作；閃速存儲(chǔ)器內(nèi)嵌于DSP中，可減小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且毋需專門的編程器 (XDS510仿真器即具有編程功能)，從而減少了開發(fā)成本。

F206為100引腳的TQFP(正方扁平)封裝，體小質(zhì)輕，適于便攜式儀器的設(shè)計(jì)。

(2)F206用一個(gè) 16×16的硬乘法器來進(jìn)行有符號(hào)或無符號(hào)數(shù)的乘法運(yùn)算，積為32位。乘累加指令僅需一個(gè)機(jī)器周期 (20M時(shí)鐘時(shí)為50ns)，而在51及196等普通單片機(jī)中，乘法需利用軟件實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行時(shí)間為ms級(jí)。

(3)F206地址映射分為4個(gè)可獨(dú)立選擇的空間: 64k字程序存儲(chǔ)器；64k字本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器；32k字全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器；64k字的I/O空間。

(4)由于與目標(biāo)系統(tǒng)之間采用了JTAG邏輯掃描電路接口(基于IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn))，從而可真正做到完全的硬件仿真，在仿真時(shí)不占用硬件資源，且可隨時(shí)察看CPU內(nèi)部及外設(shè)的工作情況，為程序的調(diào)試和除錯(cuò)帶來極大方便。

3 硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)應(yīng)注意如下要點(diǎn)：

(1)認(rèn)真處理好復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)；

(2)在DSP電路中，對(duì)所有的輸入信號(hào)必須有明確的處理，不能懸浮和置之不理^[2]；

(3)模擬電路和數(shù)字電路獨(dú)立布線，單點(diǎn)連接電源和地；

(4)片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)靠近 DSP芯片放置，要合理布局，保證數(shù)據(jù)線和地址線長(zhǎng)短基本一致(可參照用戶板或EVM板的布線)；

(5)關(guān)鍵部分建議布上地網(wǎng)。

在DSP硬件系統(tǒng)的印制電路板設(shè)計(jì)階段，關(guān) 鍵是要使布線正確合理。布線正確一般都能做到，但要做到合理，則并不容易。DSP硬件系統(tǒng) 中易出現(xiàn)的問題是高頻干擾^[2]，因此，在布線時(shí)應(yīng)盡量使高頻線短而粗，且遠(yuǎn)離易受干擾的信號(hào)線，如模擬信號(hào)線。此外，電源濾波、模擬線與數(shù)字線分離等也是不容忽視的。

設(shè)計(jì)并加工好印制電路板后就可以進(jìn)入硬件調(diào) 試階段。在這個(gè)階段，首先應(yīng)對(duì)電路板作細(xì)致的常規(guī)檢查，防止短路和斷路現(xiàn)象。加電后，先檢查晶體是否振蕩，復(fù)位是否正確可靠，用示波器檢查DSP的CLKOUT1和CLKOUT2的信號(hào)是否正常，若正常表明DSP本身基本正常。在做完這些基本檢查之后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)硬件調(diào)試。

3.2 硬件調(diào)試中應(yīng)注意的問題

3.2.1 保證電源的穩(wěn)定可靠

在DSP硬件系統(tǒng)的調(diào)試過程中，應(yīng)確保給實(shí) 驗(yàn)板供電的電源有好的恒壓恒流特性。因?yàn)樵谡{(diào)試中要經(jīng)常對(duì)實(shí)驗(yàn)板開斷電，若電源質(zhì)量不好，則很可能在突然上電時(shí)因電壓陡升而燒壞芯片(F206首當(dāng)其沖)。這樣既會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失 (F206芯片較為昂貴)，又將影響開發(fā)進(jìn)度。因此，在調(diào)試初期應(yīng)高度重視電源的選擇。

3.2.2 對(duì)受損芯片的判斷

實(shí)驗(yàn)板上電運(yùn)行時(shí)，要經(jīng)常查看各芯片的發(fā) 熱情況，發(fā)現(xiàn)過熱現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)分析處理。當(dāng)懷疑有芯片損壞而又難以確認(rèn)時(shí)，可通過測(cè)量對(duì)地電阻的方法加以判斷。

筆者曾做過一塊實(shí)驗(yàn)板，正常時(shí)檢測(cè)它的不帶電對(duì)地電阻為1MW左右；運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)軟件調(diào)試窗口無法正常調(diào)入程序，再次檢測(cè)整板的對(duì)地電阻，發(fā)現(xiàn)已降到90kW。由此，懷疑有芯片受損。根據(jù)現(xiàn)象初步判定是F206的問題，故采取以下措施加以判斷：將F206的電源引腳與實(shí)驗(yàn)板的電源線之間的連線割斷，再測(cè)量整板的對(duì)地電阻，發(fā)現(xiàn)電阻值(原為90 kW)開始回升；判斷有可能是受損的F206拉垮了整板電阻。進(jìn)一步檢測(cè)被損的F206芯片，其對(duì)地電阻僅為幾十k歐姆，而正常的F206電阻約為2～3M歐姆。由此斷定F206已被燒壞，更換芯片后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

當(dāng)然，并非總能就判斷準(zhǔn)確。若將懷疑的芯片割線后阻值仍未回升，說明該芯片沒有問題，可試著再割其他的芯片，直至找到結(jié)癥。

3.2.3 結(jié)合軟件檢查短路與虛焊

F206為100引腳的TQFP(正方扁平)封裝；為追求開發(fā)板的小巧輕便，與此相應(yīng)的外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及其他功能模塊也多采用表貼元件。由于引腳細(xì)密繁多，一些隱蔽的短路和虛焊情況很可能被忽略。此時(shí)，利用軟件調(diào)試的方法可以較容易地查出硬件上的錯(cuò)誤。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一套利用TMS320F206控制56k調(diào) 制解調(diào)芯片組進(jìn)行異/同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際系統(tǒng)。在軟硬件相結(jié)合的調(diào)試中，由于是劃分模塊進(jìn)行調(diào)試的，出錯(cuò)的芯片目標(biāo)明確，一些遺漏的硬件錯(cuò)誤很快暴露出來并得以解決。下面舉例加以說明。

現(xiàn)象一：用軟件調(diào)試器調(diào)入可執(zhí)行的輸出文件，即 *.out文件。發(fā)現(xiàn)無論什么文件都調(diào)用失敗，就連開始的vector.h文件(中斷矢量標(biāo)志定義文件)也變成了一些不相干的代碼。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷可能是F206有問題。仔細(xì)復(fù)查實(shí)驗(yàn)板上的DSP芯片，發(fā)現(xiàn)芯片上有兩個(gè)引腳發(fā)生了短路。排除故障后，程序成功調(diào)入。

現(xiàn)象二：用軟件調(diào)試器調(diào)入的文件局部出錯(cuò)。例如，應(yīng)該是SPLK # lk，dma(存儲(chǔ)立即數(shù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間)的地方都變成了. word xxxx。初步判斷可能是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器出了問題。再仔細(xì)復(fù)查實(shí)驗(yàn)板上的相關(guān)芯片，終發(fā)現(xiàn)有一片程序存儲(chǔ)器的接地引腳是虛焊。故障排除后，程序調(diào)入正確。

現(xiàn)象三：局部功能模塊不能實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì) 中，要求調(diào)制解調(diào)器上電后，先接受DSP發(fā)來的ATZ命令(調(diào)制解調(diào)器復(fù)位命令)；若調(diào)制解調(diào) 器正常復(fù)位，則會(huì)返回結(jié)果碼OK。在實(shí)際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)始終收不到正確的結(jié)果碼；而程序設(shè)計(jì) 又沒有錯(cuò)誤。因此考慮硬件方面。

該模塊涉及到的芯片是RC56D/SP(Conexant 公司出品的56k調(diào)制解調(diào)芯片)。它包括一片微控制器MCU和一片數(shù)據(jù)泵MDP(分別為80引腳和 100引腳的TQFP封裝)，通過執(zhí)行固化在1Mbit(128k×8)RAM和2Mbit(256k×8)ROM/Flash ROM內(nèi)的固件來完成操作^[3]。對(duì)這幾片芯片仔細(xì) 檢查，發(fā)現(xiàn)微控制器(MCU)有兩處引腳虛焊。排除故障后，調(diào)制解調(diào)器正常復(fù)位。

3.3 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使DSP芯片的指令周期達(dá)到幾十ns?？焖?的指令周期使得DSP芯片能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)許多DSP應(yīng)用。然而在實(shí)際的程序設(shè)計(jì)中，由于DSP芯片的上述特點(diǎn)，程序員們常常會(huì)遇到許多意想不到的麻煩。這里我們將編程與調(diào)試中應(yīng)注意的問題和技巧作一介紹。

3.3.1 流水線沖突

TMS320F206采用了4級(jí)流水線操作，有4個(gè) 獨(dú)立的操作階段：取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行^[1] 。由于4個(gè)操作階段是獨(dú)立的，因此，這些操作可以交疊進(jìn)行；在任意的指定周期內(nèi)，1到4 個(gè)不同的指令均可有效，各處于不同的完成階段。

由此可見，流水線沖突是不可避免的。一般情況下，當(dāng)發(fā)生流水線沖突時(shí)，由DSP自動(dòng)插入延遲解決。當(dāng)無法自動(dòng)解決時(shí)，需要程序員通過調(diào)整程序語句的次序或在程序中插入一定數(shù)量的NOP來解決。因此，若在調(diào)試時(shí)查不出代碼本身的問題，不妨試著在相關(guān)的位置插入幾個(gè)NOP指令。

3.3.2 軟件等待狀態(tài)發(fā)生器

為實(shí)現(xiàn)TMS320F206與慢速外部邏輯和存儲(chǔ) 器的接口，等待狀態(tài)是十分必要的。當(dāng)CPU對(duì)慢速存儲(chǔ)器或端口進(jìn)行讀寫時(shí)，通過增加等待狀態(tài)，可延長(zhǎng)CPU等待外部存儲(chǔ)器或外部I/O端口的時(shí)間以便更好地響應(yīng)。為此，CPU為每個(gè)等待狀態(tài)提供了1個(gè)額外的周期。為避免總線沖突，所有向外部地址的寫操作均需要至少2個(gè)周期。

在程序的調(diào)試過程中，我們常用設(shè)置斷點(diǎn)的方法判斷局部功能模塊能否實(shí)現(xiàn)。若發(fā)現(xiàn)程序在尚未到達(dá)斷點(diǎn)時(shí)就隨機(jī)的停止運(yùn)行，或仿真窗口出現(xiàn) “Time out waiting for device ” 紅色告警字樣時(shí)，可優(yōu)先考慮調(diào)整等待狀態(tài)發(fā)生器控制寄存器(WSGR)的設(shè)置。

許多初學(xué)者在學(xué)習(xí)例程時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的WSGR 值均設(shè)為0000h(零等待狀態(tài))，就誤以為在任何情況下都可行，這是很不可取的。筆者在初次調(diào)試大型程序時(shí)，曾因?yàn)檫@個(gè)問題耗日多時(shí)；后來試著將WSGR值由0000h改為0002h就順利解決了(將片外低端程序空間的讀/寫等待狀態(tài)數(shù)設(shè)為2)。

圖1顯示了等待狀態(tài)發(fā)生器控制寄存器(WSGR)的具體位設(shè)置。

圖1 WSGR位設(shè)置

圖1下面的標(biāo)識(shí)：0 總讀為0；R 可讀；W 可寫；破折號(hào)后的值為WSGR的復(fù)位值^[1]。

圖1上面第15～12位：保留位，總是為0；

第11～9位：ISWS-I/O空間等待狀態(tài)位，決定用于片外I/O空間的讀/寫的等待狀態(tài)數(shù)(0～7)；

第8～6位：DSWS-數(shù)據(jù)空間等待狀態(tài)位，決定用于片外數(shù)據(jù)空間的讀/寫的等待狀態(tài)數(shù)；

第5～3位：PSUWS-高端程序空間等待狀態(tài) 位，決定片外高端程序空間讀/寫等待狀態(tài)數(shù)；

第2～0位：PSLWS-低端程序空間等待狀態(tài) 位，決定片外低端程序空間讀/寫等待狀態(tài)數(shù)。

在具體應(yīng)用中，程序員可根據(jù)實(shí)際用到的片外資源靈活調(diào)整WSGR相關(guān)位的值。

3.3.3 有效利用片內(nèi)閃存

F206的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是具備32k片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器塊。它具有可擦除、可編程和非易失電源特點(diǎn)。在復(fù)位期間，通過將MP/MC置為低電平可以選擇閃存。若未選之，則從片外存儲(chǔ)器開始執(zhí)行操作。

在利用JTAG進(jìn)行硬件仿真時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)程序無法全速運(yùn)行的情況。這時(shí)，不要總是在程序上苦思冥想，可以開闊思路從別處著手。若確信程序流程沒有什么問題，不妨試著將程序?qū)懭腴W存運(yùn)行。筆者曾遇到類似情況，程序燒入Flash運(yùn) 行后一切正常；經(jīng)分析可能是實(shí)驗(yàn)板上的片外程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的布線不夠規(guī)范。調(diào)整布線重新制板后，程序在硬仿真時(shí)也能全速運(yùn)行了。

還有一種情況正好與之相反。程序在仿真窗口里可以正常運(yùn)行，寫入Flash后卻無法運(yùn)行了。在這種情況下，建議程序員在程序初始階段 (如，緊接著關(guān)中斷setc intm之后)加一小段延時(shí)(幾十毫秒，根據(jù)情況可以增減)；可能會(huì)達(dá) 到事半功倍的效果。

4 結(jié)束語

DSP技術(shù)的發(fā)展?jié)u趨成熟，DSP的應(yīng)用日益廣泛；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)品是使我國(guó)電子工業(yè)走向高技術(shù) 密集型的一條重要途徑。本文總結(jié)了在DSP開發(fā)工作中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，希望能對(duì)讀者有所啟示。

參考文獻(xiàn)

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[4]. TMS320F206 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TMS320F206_17297.html[5]. TQFP datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TQFP_1528902.html.

關(guān)鍵詞：TMS320F206定點(diǎn)DSP芯片開發(fā)實(shí)踐2002 2000F206TQFPASSEMBLYRC56DTMS320F206XDS510

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