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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?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)｡其片上外設主要包括2×8路12位ADC(最快80ns轉換時間)､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位程序和數據存儲器｡TMS320F2812采用哈佛總線結構,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芯片合理的系統配置和編程可實現快速運算,本文著重對此加以說明｡ 2 TMS320F2812基本系統配置 2.1 TMS320F2812時鐘 TMS320F2812的片上外設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寄存器動態地修改; (2)OSCCLK組:主要是看門狗電路,由WDCR寄存器設置分頻系數; (3)低速組:有SCI､SPI､McBSP,可由LOSPCP寄存器設置分頻系數; (4)高速組:包括EVA/B､ADC,可由HISPCP寄存器設置分頻系數｡ 為了使系統具有較快的工作速度,除了定時器和SCI等少數需要低速時鐘的地方,其它外設均可以150MHz時鐘工作｡ 2.2 存儲空間 圖1 所示是TMS320F2812的內部存儲空間映射圖｡TMS320F2812為哈佛(Harvard)結構的DSP,即在同一個時鐘周期內可同時進行一次取指令､讀數據和寫數據的操作｡在邏輯上有4M×16位程序空間和4M×16位數據空間,但物理上已將程序空間和數據空間統一為一個4M×16位的存儲空間,各總線按優先級由高到低的順序為:數據寫､程序寫､數據讀､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､自適應算法的權向量等)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,每個片上外設均可產生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中斷請求,所以在TMS320F28x系列DSP中設置了一個外設中斷擴展控制器(PIE)來管理片上外設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,每組內有8個片上外設中斷請求,96個片上外設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 復位引導 圖2所示是TMS320F2812的片上引導ROM空間映射｡其此導程序配置在圖2中的0x3FFC00~0x3FFFBF,根據圖1,設置VMAP=1,MP/MC=0,ENPIE=0,復位向量指向片上0x3FFFC0,而片上0x3FFFC0中內容為0x3FFC00,即指向圖2中的引導程序｡配置表2中的GPIOF4(SCITXDA)=1,則轉向FLASH中的0x3F7FF6開始執行程序,最后在0x3F7FF6片設置跳轉指令指向用戶程序的開始處,以開始運行用戶程序｡由于在實際應用中使用了PIE中斷,因此,在用戶應用程序中,應首先初始化PIE中斷向量表,然后使能PIE｡ 3 編程設計 編程是實現系統正常工作和快速運算必不可少的重要環節｡在系統配置合理的條件下,用定點芯片實現快速運算的關鍵用整數取代浮點數進行計算處理｡用C編譯器時,為產生最優代碼,應遵循以下原則: (1)將除法轉換為乘法,盡量使編譯器產生MAC指令,以充分利用DSP的硬件乘法器資源進行快速運算,且應使MAC的操作數為局部變量以分配到寄存器中(或到一個累加器中)｡ (2)盡可能使用靜態直接插入函數,以節省函數調用的額外開銷｡ (3)對FOR循環的上限,使用常數或具有常數屬性的變量可產生重復指令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)自動觸發方式,可同時采樣4個通道,并采用每次轉換結束的中斷方式來紀錄采樣結果(右移4位)｡ 轉換結果=(212-1)×(輸入的模擬信號-ADCLO)/3 ADC轉換時,首先初始化DSP系統,然后設置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轉換結果,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,它將直接響應到定位結果和數據的有效性｡為了在濾波后不影響時延數據的計算,可采用線性相位的FIR濾波器｡濾波器系數h(i)用MATLAB的產生,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)的目的是為了實現快速濾波而不會過多增加整個測量系統定位計算的時間｡ 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,對初始數據､權矢量應采用16位整形變量(Q=12:由ADC轉換精度決定),而循環計算中產生的中間結果則使用32位整形變量(Q=20:在結果不溢出的情況下盡量滿足計算精度);至于對三角函數等的運算,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果進行比較,對于4路各1024點數據處理,用浮點算法實現約需3.6秒,而用定點算法只需1.3秒｡ 另外,還可對算法進行優化｡第一是將經常使用的中間變量配置到等待周期為0的內存中;第二是采用FLASH加速技術(使能FOPT寄存器的ENPIPE位實現預指機制的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存H0中,可以達到最高150MIPS的處理速度,并能使用函數memcpy()完成程序的搬移｡ 4 結束語 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,這樣可節省硬件設計費用和周期,并降低功耗｡ |
