完整版TMS320VC5402最小系统课程设计Word格式文档下载.docx
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2015.01.12---2015.01.23
指导教师签名:
杜海明
课程负责人签名:
胡智宏
2015年01月12日
摘要
介绍了基于DSP的最小应用系统的整体设计过程。
本次课程设计的题目是DSP最小系统的设计,DSP最小系统可应用于简单的工程研究和应用开发。
本文中所设计的DSP最小系统是由TI公司的定点DSP芯片TMS320VC5402及其相关电源和时钟电路、片外扩展存储器、标准JTAG结口构成。
本次课程设计中原理图制作用的是Altiumdesigner10软件绘制的。
关键词DSP最小系统JTAG
1DSP的概述
1.1DSP的应用
DSP(DigitalSignalProcessor)是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。
其工作原理是接收模拟信号,转换为0或1的数字信号。
再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。
它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。
它的强大数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。
在近20多年时间里,DSP芯片的应用越来越广泛,已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域,主要应用有信号处理、通信、语音、图形、图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。
DSP主要应用市场为3C领域,占整个市场需求的90%。
数字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域之一。
由于DSP具有强大的计算能力,使得移动通信的蜂窝电话重新崛起,并创造了一批诸如GSM、CDMA等全数字蜂窝电话网。
在Modem器件中,DSP更是成效卓著,不仅大幅度提高了传输速率,且具有接收动态图像能力。
另外,可编程多媒体DSP是PC领域的主流产品。
以XDSLModem为代表的高速通信技术与MPEG图像技术相结合,使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可能实现实时交换。
目前的硬盘空间相当大,这主要得益于CDSP(可定制DSP)的巨大作用。
预计在今后的PC机中,一个DSP即可完成全部所需的多媒体处理功能。
DSP也是消费类电子产品中的关键器件。
由于DSP的广泛应用,数字音响设备的更新换代周期变得非常短暂。
用于图像处理的DSP,一种用于JPEG标准的静态图像数据处理;
另一种用于动态图像数据处理。
1.2DSP的特点与优点
DSP芯片是模拟信号变换成数字信号以后,进行高速实时处理的专用微处理器,其处理速度比最快的CPU还快10-50倍,具有处理速度高、功能强、性能价格比好以及速度功耗比高等特点,被广泛应用于具有实时处理要求的场合。
DSP芯片具有以下特点:
1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。
2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据。
3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。
4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。
5)快速的中断处理和硬件I/O支持。
6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
7)可以并行执行多个操作。
8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
DSP系统以DSP芯片为基础,具有以下优点:
1)高速性,DSP运行速度高达1000MIPS以上。
2)编程方便,可编程DSP可使设计人员在开发过程中,灵活方便的对软件进行修改和升级。
3)稳定性好,DSP系统以数字处理为基础,受环境温度及噪声的影响比较小,可靠性高。
4)可重复性好,数字系统的性能基本上不受元器件参数性能的影响,便于测试、调试和大规模生产。
5)集成方便,DSP系统中的数字部件有高度的规范性,便于大规模集成。
6)性价比高。
1.3DSP的发展现状和发展趋势
DSP芯片诞生于20世纪70年代末,至今已经取得了突飞猛进的发展。
其发展现状主要有以下几个发面:
(1)制造工艺。
普遍采用0.25um或0.18um亚微米的CMOS工艺。
引脚从原来的40个增加到200个以上。
需要设计的外围电路越来越少,成本、体积和功耗不断下降。
(2)存储器容量。
芯片的片内程序和数据存储器可达到几十K字,而片外程序存储器和数据存储器可达到16M*48位和4G*40位以上。
(3)内部结构。
芯片内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构,加上完善的接口功能,是DSP的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。
(4)运算速度。
指令周期从400ms缩短到10ns以下,其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。
(5)高度集成化。
集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP芯片已有较大的发展和应用。
(6)运算精度和动态范围。
DSP的字长从8位已增加到32位,累加器的长度也增加到40位,从而提高了运算精度。
同时采用超长指令集(VLIW)结构和高性能的浮点运算,扩大了数据处理的动态范围。
(7)开发工具。
具有较完善的软件和硬件开发工具,如软件仿真器Simulator、在线仿真器Emulator、C编译器和集成开发环境CCS等,给开发应用带来很大方便。
CCS是TI公司针对本公司的DSP产品开发的集成开发环境。
它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能,而且支持C/C++和汇编的混合编程。
开放式的结构允许外扩用户自身的模块。
其DSP技术的发展趋势主要表现在以下几个方面:
(1)DSP的内核结构将进一步改善。
多通道结构和单指令多重数据(SIMD)、特大指令字组(VLIM)将在新的高性能处理器中占主导地位。
(2)DSP和微处理器的融合。
微处理器MPU是一种执行智能定向控制任务的通用处理器,它能很好地执行智能控制任务,但对数字信号的处理能力很差。
DSP处理器具有高速的数字信号处理能力。
在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能。
因此,将DSP与微处理器结合起来,可简化设计,加速产品开发,减小PCB体积,降低功耗和整个系统的成本。
(3)DSP与高档CPU的融合。
大多数高档MCU,如Pentium和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构,速度很快。
在DSP中融入高档CPU的分支预示和动态缓冲技术,结构规范,利于编程,不用进行指令排队,是DSP性能大幅度提高。
(4)DSP和FPGA的融合。
FPGA是现场可编程门阵列器件。
它和DSP集成在一块芯片上,可实现宽带信号处理,大大提高信号处理速度。
(5)DSP和SOC的融合。
SOC是指把一个系统集成在一块芯片上。
这个系统包括DSP和系统接口软件等。
(6)实时操作系统RTOS和DSP的结合。
随着DSP的处理能力的增强,DSP系统越来越复杂,使得软件的规模越来越大,往往需要运行多个任务,各任务间的通信、同步等问题就变得非常突出。
随着DSP性能和功能日益增强,对DSP应用提供RTOS的支持已成为必然的结果。
(7)DSP的并行处理结构。
为了提高DSP芯片的运算速度,各DSP厂商纷纷在DSP芯片中引入并行处理机制。
这样,可以在同一时刻将不同的DSP与不同的任一存储器连通,大大提高数据传输的速率。
(8)功耗越来越低。
随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展,DSP芯片内核的电源电压将会越来越低。
2DSP最小系统主要芯片
2.1主控芯片TMS320VC5402的简介
TMS320VC5402是TI公司的第七代DSP芯片之一,它具有优化的CPU结构,内部有1个40位的算术逻辑单元(包括一个40位的桶式移位寄存器和2个独立的40位累加器),一个17×
17的乘法器和一个40位专用加法器,16K字RAM空间和4K×
16bitROM空间。
共20根地址线,可寻址64KB数据区和1MB程序区,具有64KI/O空间。
处理速度为l00MIPS,速度高、功耗低。
TMS320VC5402采用修正的哈佛结构和8总线结构(4条程序/数据总线和4条地址总线),以提高运算速度和灵活性。
在严格的哈佛结构中,程序存储器和数据存储器分别设在两个存储空间,这样就允许取址和执行操作完全重叠。
修正的哈佛结构中,允许在程序和数据空间之间传送数据,从而使处理器具有在单个周期内同时执行算术运算、逻辑运算、位操作、乘法累加运算以及访问程序和数据存储器的强大功能。
与修正的哈佛结构相配合,TMS320VC5402还采用了一个6级深度的指令流水线,每条流水线之间彼此独立,在任何一个机器周期内可以有1—6条不同的指令在同时工作,每条指令工作在不同的流水线上,使指令的执行时间减小到最小和增大处理器的吞吐量。
TMS320VC5402的硬件结构具有硬件乘法器、8总线结构、功能强大的片内存储器配置和低功耗设计的特点。
因此,可以进行高速并行处理;
同时,集成度高可节省硬件开销,提高系统抗干扰性。
它除了完成数字信号处理任务外,还可以兼顾通用单片机的操作任务。
因此,它是集数字信号处理与通用控制电路于一体的,多功能低功耗微处理器。
综上所述TMS320VC5402的主要特点如下:
1)多总线结构,片内3套16bit数据总线CB、DB、EB和1套程序总线PB以及对应的4套地址总线CBA、DBA、EBA、PBA(4套总线可以同时操作)。
2)40bit的ALU(算术逻辑单元),包含1个40bit的桶形移位器和2个40bit的累加器,1个17×
17bit的乘法器和一个40bit的专用加法器,2个地址产生器,8个辅助寄存器,一个比较/选择/存储(CSSU)单元。
3)片内4k×
16bit的ROM,16k×
16bit的DARAM。
4)程序空间扩展到1MB,数据和I/O空间各64kB,20条地址线,16条数据线。
5)6级流水线完成一条指令:
预取指、取指、译码、寻址、读数、执行。
6)片上有JTAG仿真接口。
2.2SRAM芯片IS61LV6416的简介
ISSI的IS61LV6416是一个1M容量,结构为64K*16位字长的高速率SRAM。
IS61LV6416采用ISSI公司的高性能CMOS工艺制造。
高度可靠的工艺水准加上创新的电路设计技术,使得IS61LV6416的存取时间可快至8ns,兼具低功耗的优点。
当/CE处于高电平(未选中)时,IS61LV6416进入待机模式。
在此模式下,功耗可降低至CMOS输入标准。
使用IS61LV6416的低触发片选引脚(/CE)和输出使能引脚(/OE),可以轻松实现存储器扩展。
低触发写入使能引脚(/WE)将完全控制存储器的写入和读取。
同一个字节允许高位(/UB)存取和低位(/LB)存取。
IS61LV6416芯片的主要特性有以下几点:
(1)高速率
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