摘 要: title="TMS320F206">TMS320F206是TI公司TMS320C2XX系列芯片中具有代表性的一種，在介紹其特點、結(jié)構(gòu)與性能的基礎(chǔ)上，重點闡述了TMS320F206在軟件及硬件設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題，給出了作者的一些實際經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞: DSP TMS320F206 軟件設(shè)計 硬件設(shè)計
數(shù)字化已成為電子、通信和信息技術(shù)的發(fā)展趨勢與潮流。在這種趨勢與潮流的推動下，數(shù)字信號處理的理論與實現(xiàn)手段獲得了快速的發(fā)展，已成為當(dāng)代發(fā)展最快的學(xué)科之一。而DSP芯片作為數(shù)字信號處理，尤其是實時數(shù)字信號處理的主要方法和手段，自20世紀70年代末、80年代初誕生以來，無論在性能上還是在價格上，都取得了突破性的迅猛發(fā)展。從定點到浮點直到并行處理芯片，DSP芯片的功能越來越強、速度越來越快(例如TI公司的并行處理芯片C6000系列的速度達到了2400MIPS的高指標);而且，DSP芯片的價格越來越低，開發(fā)與設(shè)計手段越來越多樣化、越來越容易。越來越高的性能價格比、日漸完善的開發(fā)方式使DSP的應(yīng)用范圍越來越大，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于通信、雷達、聲納、遙感、生物醫(yī)學(xué)、機器人、控制、精密機械、語音和圖像處理等領(lǐng)域。可以毫不夸張地說，以DSP芯片為基礎(chǔ)的數(shù)字信號處理技術(shù)已成為當(dāng)代電子、通信和信息處理技術(shù)不可或缺的重要手段。
從全球范圍來看，生產(chǎn)DSP芯片的廠家主要有美國的TI公司、AD公司、Motorola公司以及Lucent公司等。其中，TI公司以其卓越的產(chǎn)品性能、多層次的產(chǎn)品系列、良好的性能價格比以及較好的售后服務(wù)，使其TMS320系列DSP芯片占據(jù)了接近一半的國際市場份額。從定點、浮點到并行，已形成了一個較為完整的產(chǎn)品系列，因而獲得了最廣泛的應(yīng)用。
TMS320系列產(chǎn)品大致是沿著下面三個方向在不斷發(fā)展的:
定點DSP:C1X→C2X→C2XX→C5X→C54X→…;
浮點DSP:C3X→C4X→…;
內(nèi)含多處理器的DSP:C8X→C6X…;
TI公司的TMS320C2XX 系列芯片是采用靜態(tài)CMOS集成電路工藝制造的，其結(jié)構(gòu)以C5X為基礎(chǔ)。C2XX和C5X操作靈活、速度高，這是由于采用先進哈佛結(jié)構(gòu)(程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器具有各自的總線)、多級流水線、片內(nèi)外設(shè)、片內(nèi)存儲器和專用的指令集的結(jié)果。C2XX的速度高達40MIPS。C2XX產(chǎn)品具有以下優(yōu)點:
.改進TMS320的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其性能和通用性得以提高。
.采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以更快地開發(fā)各種產(chǎn)品。
.采用先進的集成電路工藝以提高性能。
.其源碼與C1X、C2X兼容，能更快、更容易地對C1X、C2X進行升級。
.其增強型指令集適用于快速算法和適合于優(yōu)化高級語言操作。
.采用新的靜態(tài)設(shè)計技術(shù)使其功耗最低。
1 TMS320F206的結(jié)構(gòu)與性能特點
TMS320F206是TI公司C2XX系列產(chǎn)品中非常具有代表性的一種，它含有豐富的片內(nèi)外設(shè)和片內(nèi)存儲器;尤其是片內(nèi)含有可作為程序存儲器的32K閃速存儲器(Flash Ram)。用戶可通過TMS320F206自帶的符合IEEE標準1149.1的JTAG接口將可執(zhí)行程序代碼直接燒錄到芯片內(nèi)部，并可通過該接口對程序進行仿真與測試。基于JTAG的結(jié)構(gòu)，極大地方便了用戶的系統(tǒng)設(shè)計與程序調(diào)試，從而使TMS320F206獲得了廣泛的應(yīng)用。
TMS320F206的主要特點如下:
(1)從速度上來看，其單周期指令執(zhí)行時間為50、35、25ns，處理速度可達20、28.5或40MIPS。從兼容性來看，其源代碼與C1X和C2X全部產(chǎn)品兼容，與C5X產(chǎn)品向上兼容。
(2)可尋址的存儲器空間為224K字(程序空間64K字，數(shù)據(jù)空間64K字，I/O空間64K字，還有32K字全局存儲空間)。其中，片內(nèi)雙訪問RAM 544字(288字用于數(shù)據(jù)，另256字可用于程序或數(shù)據(jù))，片內(nèi)閃速存儲器(Flash Ram)32K字，片內(nèi)單訪問RAM 4K字。
(3)從CPU的結(jié)構(gòu)來看，含有32位算術(shù)邏輯單元(CALU)和32位累加器，16位并行乘法器(乘積為32位)，3個比例移位器，用于間接尋址數(shù)據(jù)存儲器的8個輔助寄存器，并有專用的算術(shù)單元。在程序控制方
面，有4級流水線操作和8級硬件中斷，并有用戶可屏蔽的中斷線。
(4)具有6組16比特總線，它們是:
.PAB程序地址總線，提供讀、寫程序存儲器的地址。
.DRAB數(shù)據(jù)讀地址總線，提供讀數(shù)據(jù)存儲器的地址。
.DWAB數(shù)據(jù)寫地址總線，提供寫數(shù)據(jù)存儲器的地址。
.PRDB程序讀總線，將指令代碼和立即數(shù)從程序存儲器傳送到CPU。
.DRDB數(shù)據(jù)讀總線，承載數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。
.DWEB數(shù)據(jù)寫總線，承載數(shù)據(jù)傳送到程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。
(5)含有功能強大的指令集，包括單指令重復(fù)操作、單周期相乘/累加、存儲器塊移動、變址尋址能力、適合基于2 FFT的倒位序變址能力。
(6)含有豐富的片內(nèi)外設(shè)，包括軟件可編程的定時器;適用于程序、數(shù)據(jù)和I/O存儲空間的軟件可編程等待狀態(tài)產(chǎn)生器;振蕩器與鎖相環(huán)(可實現(xiàn)時鐘選擇：×1、×2、×4和除2模式);CLK寄存器(可控制CLKOUT1引腳的開啟與關(guān)閉);同步串行口(SSP);異步串行口(ASP)。
(7)含有用于仿真和測試的片內(nèi)掃描邏輯電路(IEEE標準1149.1);5V或3.3V電源靜態(tài)CMOS工藝;可以降功耗模式工作以減少功率消耗;封裝形式為100線薄型四邊有引線扁平封裝(TQFP)。
2 TMS320F206系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題
2.1 速度和時鐘
從運算速度上看，TMS320F206有20、28.5和40MIPS三個具體片種，三種芯片的價格差異較大。40MIPS的DSP可用于20MIPS的低速率，反之則不行。因此在選擇芯片時，要意識到速度的差異，應(yīng)根據(jù)實際的需要選擇合適的芯片，以求獲得最優(yōu)的性能價格比。
TMS320F206有32K的片內(nèi)Flash Ram，可滿足大多數(shù)應(yīng)用場合對程序存儲空間的需要。可執(zhí)行程序代碼燒錄進Flash Ram是通過JTAG仿真測試口完成的。但必須注意的是:無論對于40MIPS，還是20MIPS或28.5MIPS的DSP芯片，程序代碼成功燒錄進片內(nèi)Flash Ram的前提條件是TMS320F206工作于20MIPS，亦即CLKOUT1時鐘頻率應(yīng)為20MHz/50ns，否則程序無法燒錄進DSP內(nèi)的Flash Ram。所以，在設(shè)計中，如果希望TMS320F206的運算速度超過20MIPS，且把Flash Ram作為程序存儲空間，則應(yīng)注意主時鐘CLKOUT1的設(shè)計。在利用外時鐘源的情況下，可利用兩個引腳DIV1和DIV2為高低電平來確定CLKOUT1與外時鐘源的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)DIV2和DIV1分別為低電平和高電平時，二者相等；當(dāng)DIV2和DIV1分別為高電平和低電平時，CLKOUT1兩倍于外時鐘源。所以，如果要求在程序運行時，CLKOUT1的速率超過20MHz，可采用將時鐘確定為外部時鐘模式的方法，同時使外部時鐘源的頻率不大于20MHz，然后根據(jù)程序運行或程序燒錄時所需時鐘的不同，通過跳線確定DIV1和DIV2的高低電平，從而分別滿足程序運行和程序燒錄時不同的時鐘需要。例如，希望TMS320F206的運算速度是40MIPS，可用20MHz的晶振作為外部時鐘源;在程序燒錄時，通過跳線將DIV2和DIV1分別設(shè)置為低電平和高電平，此時CLKOUT1為20MHz，可滿足程序燒錄所需的時鐘條件;在程序運行時，則通過跳線將DIV2和DIV1分別設(shè)置為高電平和低電平，此時CLKOUT1是外時鐘源的2倍，為40MHz，可滿足程序運行時的時鐘條件。
2.2 中斷的使用
中斷的使用是系統(tǒng)設(shè)計中十分重要的問題。中斷的軟件設(shè)計，是中斷程序正常運行的關(guān)鍵;而中斷的硬件設(shè)計，有些問題也同樣不容忽視。
在TMS320F206中，中斷的使用是與三個寄存器相聯(lián)系的，即中斷標志寄存器(ifr)、中斷屏蔽寄存器(imr)和中斷控制寄存器(icr)。
16位的中斷標志寄存器(ifr)標志位于數(shù)據(jù)存儲空間內(nèi)，地址是0006h。它含有所有可屏蔽中斷的標志。當(dāng)可屏蔽中斷請求到達CPU時，ifr中相應(yīng)的標志置為1，這表明該中斷掛起，正在等待響應(yīng)。讀ifr可識別掛起的中斷，寫ifr可清除掛起的中斷。為清除中斷請求(也即將ifr標志清0)，可向ifr中相應(yīng)的位寫入1，再將ifr當(dāng)前的內(nèi)容寫回ifr，即可清除所有掛起的中斷。
16位的中斷屏蔽寄存器(imr)標志位于數(shù)據(jù)存儲空間，地址是0004h。它用于屏蔽內(nèi)部和外部的可屏蔽中斷。因/NMI和/RS是不可屏蔽中斷，所以它們都不包括在imr中，因而imr對這些中斷沒有影響。讀imr可以識別被屏蔽和沒有被屏蔽的中斷，寫imr可以屏蔽和不屏蔽中斷。為了不屏蔽某個中斷，應(yīng)將它對應(yīng)的imr中的位寫為1;為了屏蔽某個中斷，應(yīng)將它對應(yīng)的imr中的位寫為0。
16位的中斷控制寄存器(icr)標志在I/O空間內(nèi)，地址是FFECh，含有中斷/INT2和/INT3單獨的標志位和屏蔽位。它控制HOLD/INT1的引腳功能，并單獨控制/INT2和/INT3中斷。
在TMS320F206的程序空間中，0000h~003fh對應(yīng)中斷向量空間，對于程序設(shè)計中沒用到的向量空間，應(yīng)填零，以防止意外情況發(fā)生。若TMS320F206響應(yīng)了某個硬件中斷，則會自動將其相應(yīng)的中斷標志位和中斷允許位INTM置1(INTM為1，則禁止所有中斷)，但在中斷服務(wù)程序結(jié)束后不會自動將二者清0。因此，在中斷服務(wù)程序結(jié)束時，應(yīng)將該中斷的標志位和中斷允許位INTM清0，以保證后續(xù)中斷的正常運行。實際經(jīng)驗表明，若在某個中斷的服務(wù)程序中沒將該中
斷的標志清0，則TMS320F206是無法連續(xù)正常響應(yīng)該中斷的，結(jié)果是程序運行發(fā)生混亂，出現(xiàn)許多意想不到的結(jié)果。
在TMS320F206中，/INT2和/INT3是兩個較為特殊的可屏蔽硬件中斷，它們共享:
(1)中斷標志寄存器(ifr)中的同一標志位;
(2)中斷屏蔽寄存器(imr)中的同一屏蔽位;
(3)同一個中斷服務(wù)程序(/INT2和/INT3都映射到程序存儲器內(nèi)的中斷向量單元0004h)。
為單獨使用/INT2和/INT3，icr提供了兩個屏蔽位(MINT2和MINT3)和兩個標志位(FINT2和FINT3)。當(dāng)/INT2和/INT3引腳上有中斷請求時，由MINT2和MINT3確定是否設(shè)置標志位FINT2、FINT3和INT2/INT3。為屏蔽/INT2(防止標志FINT2和INT2/INT3置1)，可將0寫入MINT2;為屏蔽/INT3(防止標志FINT3和INT2/INT3置1)，可將0寫入MINT3。若想將/INT2和/INT3都屏蔽，則只需將imr中的INT2/INT3位置0，CPU接收不到中斷請求，也就不會響應(yīng)中斷請求了。
當(dāng)中斷標志寄存器ifr中的INT2/INT3位置1時，說明有一個或兩個中斷掛起。為區(qū)別這兩個中斷，可在中斷服務(wù)程序中測試icr中的FINT2和FINT3，然后分配到適當(dāng)子程序。如果只希望響應(yīng)其中的一個并執(zhí)行中斷服務(wù)程序，那么可在icr中將另一個屏蔽。CPU響應(yīng)/INT2和/INT3中斷時，其中斷標志位不會自動清0，因此必須在中斷服務(wù)程序中將icr和ifr中相應(yīng)的中斷標志位以及中斷允許位INTM清0。
TMS320F206共有5個硬件中斷。其中，用戶不可屏蔽中斷有:復(fù)位中斷(/RS)、用戶不可屏蔽中端(/NMI);用戶可屏蔽中斷有:/INT1、/INT2、/INT3，用戶可通過設(shè)置有關(guān)的軟件寄存器，決定是否響應(yīng)該中斷。
在系統(tǒng)設(shè)計中，若用戶沒有用到某個可屏蔽硬件中斷，一方面應(yīng)通過設(shè)置中斷屏蔽寄存器(imr)將其屏蔽，另一方面也應(yīng)通過設(shè)置相應(yīng)的中斷引腳，將其關(guān)閉，以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。
在通常情況下，用戶都會用到復(fù)位中斷(/RS)，以完成程序的復(fù)位。在復(fù)位中斷電路的設(shè)計中，應(yīng)注意的問題是:
(1)在系統(tǒng)運行的初始階段，應(yīng)保證/RS為低電平的時間足夠長，以使DSP能準確地響應(yīng)復(fù)位中斷，從而保證程序的正常運行。
(2)在程序運行過程中，應(yīng)保證/RS有良好的穩(wěn)定性，以防止由于外界干擾使/RS為低電平而使TMS320F206意外復(fù)位，產(chǎn)生意想不到的后果。
/NMI是另一個不可屏蔽的硬件中斷，如果在設(shè)計中沒用到該中斷，務(wù)必將其對應(yīng)的引腳/NMI拉高，以防止意外。經(jīng)驗表明，若不將/NMI拉高，則通過JTAG將程序代碼燒錄進Flash Ram內(nèi)時，會出現(xiàn)錯誤提示，使燒錄無法完成。
2.3 Flash Ram的使用
TMS320F206有32K的片內(nèi)Flash Ram，分為兩個塊:F0和F1，各占16K的程序存儲空間，二者可以單獨使用，也可以作為一個整體使用。但應(yīng)注意使用片內(nèi)Flash Ram的前提條件是:TMS320F206必須工作于微計算機方式，亦即MP/MC引腳必須置為低電平，從而使片內(nèi)Flash Ram使能。
通過JTAG仿真測試口向Flash Ram燒錄代碼需經(jīng)過以下三個環(huán)節(jié):
①clear， 使所有位都置0;
②erase， 使所有位都置1;
③program， 將程序代碼中0所對應(yīng)的位清0。
需明確的是:以上3個環(huán)節(jié)在程序燒錄時，缺一不可，且只能按①、②、③的順序進行;否則在程序燒錄過程中將出現(xiàn)錯誤提示，從而使程序燒錄告以失敗。在實際操作中，易犯的錯誤是不經(jīng)過第1個環(huán)節(jié)而直接進行erase和program，結(jié)果是無法完成程序燒錄。
在JTAG仿真測試口中，有一個Vcc引腳，它是連接目標板上TMS320F206的電源端。在程序燒錄時，目標板上的電壓不能太低，否則也會出現(xiàn)錯誤提示。筆者在一個5V供電的DSP系統(tǒng)中，曾以4.85V給TMS320F206供電，結(jié)果無法完成燒錄。最后將電源電壓改為4.95V到5.05V的范圍內(nèi)時，一切正常。
2.4 PCB制板與焊接問題
在有關(guān)DSP的PCB設(shè)計中，應(yīng)遵循PCB制作與布線的通用規(guī)則。應(yīng)特別注意的方面有:務(wù)必將模擬電路和數(shù)字電路獨立布線，最后單點連接電源和地;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。
TMS320F206的封裝形式只有TQFP(薄型四邊有引線扁平封裝)一種，其外形是一個邊長約為1.2厘米的正方形，每個邊上有25個引腳，排列十分密集。因此，芯片的焊接也成了一個需要注意的問題。一般在大規(guī)模的專業(yè)化生產(chǎn)中，有專用的設(shè)備完成諸如TQFP類貼片型芯片的焊接，但設(shè)備較為昂貴。因此，在實驗室或小規(guī)模生產(chǎn)場合下通常都采用手工焊接的方式。
由于TMS320F206是貼片型芯片，所以在制作PCB板時，應(yīng)采取噴錫工藝，同時應(yīng)注意噴錫的厚度和引腳排列的尺寸。在手工焊接時，宜采用焊頭較細的電烙鐵，筆者根據(jù)實際經(jīng)驗總結(jié)的焊接過程如下:
①將TMS320F206的四邊引腳刷一層松香水;
②將其四邊引腳與PCB板上的引腳一一對齊;
③用燒熱的電烙鐵輕點四個角上的某個引腳以使芯片處于半固定;
④微調(diào)四邊引腳位置，直到確定各個引腳已完全對齊;
⑤用燒熱的電烙鐵對準引腳處，一一點擊，以使下面的焊錫熔化，完成焊接。應(yīng)注意點擊的時間不要過長，點擊的方向盡量垂直，亦即平壓下去，而不要沿著引腳排列的方向平拉。平拉有可能因用力過大而使引腳偏離原來的位置，從而使相鄰引腳粘在一塊;
⑥用萬用表檢查引腳焊接的通斷。若有不通的引腳，則應(yīng)再次點焊。
參考文獻
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