定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812實(shí)現(xiàn)快速算法應(yīng)用

    摘要：論述了以DSP芯片TMS320F2812為核心的一種測(cè)量?jī)x器的組成原理、設(shè)計(jì)思想以及快速定點(diǎn)算法的實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)對(duì)定點(diǎn)和浮點(diǎn)算法結(jié)果進(jìn)行了比較。

    關(guān)鍵詞：定點(diǎn)芯片；浮點(diǎn)運(yùn)算；快速算法；系統(tǒng)配置；TMS320F2812

１ TMS320F2812簡(jiǎn)介

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２是ＴＩ公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的３２位定點(diǎn)ＤＳＰ芯片。該芯片兼容ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７指令系統(tǒng)?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(shí)間３６ｎｓ）。其片上外設(shè)主要包括２×８路１２位ＡＤＣ（最快８０ｎｓ轉(zhuǎn)換時(shí)間）、２路ＳＣＩ、１路ＳＰＩ、１路ＭｃＢＳＰ、１路ｅＣＡＮ等，并帶有兩個(gè)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(shí)器（或ＴｘＰＷＭ／ＴｘＣＭＰ）。另外，該器件還有３個(gè)獨(dú)立的３２位ＣＰＵ定時(shí)器，以及多達(dá)５６個(gè)獨(dú)立編程的ＧＰＩＯ引腳，可外擴(kuò)大于１Ｍ×１６位程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護(hù)機(jī)制，可進(jìn)行雙１６×１６乘加和３２×３２乘加操作，因而可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能。

通過(guò)對(duì)ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２定點(diǎn)ＤＳＰ芯片合理的系統(tǒng)配置和編程可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算，本文著重對(duì)此加以說(shuō)明。

２ TMS320F2812基本系統(tǒng)配置

２．１ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２時(shí)鐘

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的片上外設(shè)按輸入時(shí)鐘可分為如下４個(gè)組：

(１)ＳＹＳＯＵＴＣＬＫ組：包括ＣＰＵ定時(shí)器和ｅＣＡＮ總線，可由ＰＬＬＣＲ寄存器動(dòng)態(tài)地修改；

(２)ＯＳＣＣＬＫ組：主要是看門狗電路，由ＷＤＣＲ寄存器設(shè)置分頻系數(shù)；

(３)低速組：有ＳＣＩ、ＳＰＩ、ＭｃＢＳＰ，可由ＬＯＳＰＣＰ寄存器設(shè)置分頻系數(shù)；

(４)高速組：包括ＥＶＡ／Ｂ、ＡＤＣ，可由ＨＩＳＰＣＰ寄存器設(shè)置分頻系數(shù)。

為了使系統(tǒng)具有較快的工作速度，除了定時(shí)器和ＳＣＩ等少數(shù)需要低速時(shí)鐘的地方，其它外設(shè)均可以１５０ＭＨｚ時(shí)鐘工作。

圖1

    ２．２ 存儲(chǔ)空間

圖１所示是ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的內(nèi)部存儲(chǔ)空間映射圖。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２為哈佛（Ｈａｒｖａｒｄ）結(jié)構(gòu)的ＤＳＰ，即在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可同時(shí)進(jìn)行一次取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作。在邏輯上有４Ｍ×１６位程序空間和４Ｍ×１６位數(shù)據(jù)空間，但物理上已將程序空間和數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一為一個(gè)４Ｍ×１６位的存儲(chǔ)空間，各總線按優(yōu)先級(jí)由高到低的順序?yàn)椋簲?shù)據(jù)寫、程序?qū)?、?shù)據(jù)讀、程序讀。其中由ＣＹ７Ｃ１０４１擴(kuò)展的２５６ｋ×１６位ＳＡＲＡＭ位于Ｚｏｎｅ ６（０ｘ１０００００～０ｘ１３ＦＦＦＦ），存取時(shí)間不小于１２ｎｓ；１２８ｋ×１６位ＦＬＡＳＨ空間（０ｘ３Ｄ８０００～ ０ｘ３Ｆ７ＦＦＦ）取指時(shí)間不小于３６ｎｓ。為了盡可能提高器件的工作速度，在對(duì)FLASH寄存器編程使其在較高速度下工作的同時(shí)，可將時(shí)間要求比較嚴(yán)格的程序（如時(shí)延計(jì)算子程序、FIR濾波子程序等）、變量（如FIR濾波器系數(shù)、自適應(yīng)算法的權(quán)向量等）各堆?？臻g搬移到H0、L0、L1、M0、M1空間來(lái)運(yùn)行。

2.3 中斷

TMS320F28x系列DSP片上都有非常豐富的外設(shè)，每個(gè)片上外設(shè)均可產(chǎn)生1個(gè)或多個(gè)中斷請(qǐng)求。中斷由兩級(jí)組成，其中一級(jí)是PIE中斷，另一級(jí)是CPU中斷。CPU中斷有32個(gè)中斷源，包括RESET、NMI、EMUINT、ILLEGAL、12個(gè)用戶定義的軟件中斷USER1～USER12和16個(gè)可屏蔽中斷（INT1～I(xiàn)NT14、RTOSINT和DLOGINT）。所有軟件中斷均屬于非屏蔽中斷。由于CPU沒(méi)有足夠的中斷源來(lái)管理所有的片上外設(shè)中斷請(qǐng)求，所以在TMS320F28x系列DSP中設(shè)置了一個(gè)外設(shè)中斷擴(kuò)展控制器（PIE）來(lái)管理片上外設(shè)和外部引腳引起的中斷請(qǐng)求。

PIE中斷共有96個(gè)，被分為12個(gè)組，每組內(nèi)有8個(gè)片上外設(shè)中斷請(qǐng)求，96個(gè)片上外設(shè)中斷請(qǐng)求信號(hào)可記為INTx.y(x=1,2,…，12;y=1,2,…,8)。每個(gè)組輸出一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)給CPU，即PIE的輸出INTx(x=1,2,…,…12）對(duì)應(yīng)CPU中斷輸入的INT1～I(xiàn)NT12。TMS320F28x系列DSP的96個(gè)可能的PIE中斷源中有45個(gè)被TMS320F2812使用，其余的被保留作以后的DSP器件使用。

ADC、定時(shí)器、SCI編程等均以中斷方式進(jìn)行，可提高CPU的利用率。

2.4 復(fù)位引導(dǎo)

圖2所示是TMS320F2812的片上引導(dǎo)ROM空間映射。其此導(dǎo)程序配置在圖2中的0x3FFC00～0x3FFFBF,根據(jù)圖1，設(shè)置VMAP=1，MP/MC=0，ENPIE=0，復(fù)位向量指向片上0x3FFFC0，而片上0x3FFFC0中內(nèi)容為0x3FFC00,即指向圖2中的引導(dǎo)程序。配置表2中的GPIOF4（SCITXDA）=1，則轉(zhuǎn)向FLASH中的0x3F7FF6開始執(zhí)行程序，最后在0x3F7FF6片設(shè)置跳轉(zhuǎn)指令指向用戶程序的開始處，以開始運(yùn)行用戶程序。由于在實(shí)際應(yīng)用中使用了PIE中斷，因此，在用戶應(yīng)用程序中，應(yīng)首先初始化PIE中斷向量表，然后使能PIE。

3 編程設(shè)計(jì)

編程是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常工作和快速運(yùn)算必不可少的重要環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)配置合理的條件下，用定點(diǎn)芯片實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算的關(guān)鍵用整數(shù)取代浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理。用C編譯器時(shí)，為產(chǎn)生最優(yōu)代碼，應(yīng)遵循以下原則：

（1）將除法轉(zhuǎn)換為乘法，盡量使編譯器產(chǎn)生MAC指令，以充分利用DSP的硬件乘法器資源進(jìn)行快速運(yùn)算，且應(yīng)使MAC的操作數(shù)為局部變量以分配到寄存器中（或到一個(gè)累加器中）。

（2）盡可能使用靜態(tài)直接插入函數(shù)，以節(jié)省函數(shù)調(diào)用的額外開銷。

（3）對(duì)FOR循環(huán)的上限，使用常數(shù)或具有常數(shù)屬性的變量可產(chǎn)生重復(fù)指令RPT。

3.1 ADC編程

TMS20F2812帶有兩個(gè)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(zhuǎn)換速率為80ns，選用10kSPS采樣率，并采用EVA的定時(shí)器（0.1ms）自動(dòng)觸發(fā)方式，可同時(shí)采樣4個(gè)通道，并采用每次轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷方式來(lái)紀(jì)錄采樣結(jié)果（右移4位）。

轉(zhuǎn)換結(jié)果=（212-1）×（輸入的模擬信號(hào)-ADCLO）/3

ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，首先初始化DSP系統(tǒng)，然后設(shè)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(dòng)0.1ms定時(shí)器，同時(shí)等待ADC中斷，最后在ADC中斷中讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，并用軟件啟動(dòng)下一次中斷。

    3.2 FIR濾波器編程

目標(biāo)信號(hào)對(duì)某些低頻干擾非常敏感，它將直接響應(yīng)到定位結(jié)果和數(shù)據(jù)的有效性。為了在濾波后不影響時(shí)延數(shù)據(jù)的計(jì)算，可采用線性相位的FIR濾波器。濾波器系數(shù)h(i)用MATLAB的產(chǎn)生，并在變成整形然后固化到程序中，這樣做（而不是單獨(dú)計(jì)算濾波器系數(shù)）的目的是為了實(shí)現(xiàn)快速濾波而不會(huì)過(guò)多增加整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)定位計(jì)算的時(shí)間。

3.3 定位算法的移植

由于定位算法采用自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)法，因此計(jì)算量非常龐大，對(duì)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(huán)計(jì)算，處理能力可達(dá)150MIPS，因而具有較高的性能。但它是一款定點(diǎn)處理芯片，需要使用定點(diǎn)算法來(lái)解決處理量大的問(wèn)題。因此，對(duì)初始數(shù)據(jù)、權(quán)矢量應(yīng)采用16位整形變量（Q=12：由ADC轉(zhuǎn)換精度決定），而循環(huán)計(jì)算中產(chǎn)生的中間結(jié)果則使用32位整形變量（Q=20：在結(jié)果不溢出的情況下盡量滿足計(jì)算精度）；至于對(duì)三角函數(shù)等的運(yùn)算，可用查表法并利用圖2中的表格來(lái)進(jìn)行快速計(jì)算。

C編譯器帶有浮點(diǎn)運(yùn)算庫(kù)，因此可將浮點(diǎn)算法和定點(diǎn)算法的結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)于4路各1024點(diǎn)數(shù)據(jù)處理，用浮點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)約需3.6秒，而用定點(diǎn)算法只需1.3秒。

另外，還可對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化。第一是將經(jīng)常使用的中間變量配置到等待周期為0的內(nèi)存中；第二是采用FLASH加速技術(shù)（使能FOPT寄存器的ENPIPE位實(shí)現(xiàn)預(yù)指機(jī)制的FLASH流水線模式），這樣可以達(dá)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(hù)機(jī)制，對(duì)FLASH寄存器進(jìn)行存取的這段程序必須搬移到L0、L1中執(zhí)行。盡管這樣，將這段對(duì)時(shí)間要求比較荷記得的算法移植到內(nèi)存H0中，可以達(dá)到最高150MIPS的處理速度，并能使用函數(shù)memcpy()完成程序的搬移。

4 結(jié)束語(yǔ)

在計(jì)算量較大時(shí)，通常選用浮點(diǎn)DSP芯片。實(shí)際上，為了充分利用定點(diǎn)DSP芯片的片上資源，也能利用本文所介紹的方法選用定點(diǎn)芯片來(lái)達(dá)到較高的計(jì)算速度，這樣可節(jié)省硬件設(shè)計(jì)費(fèi)用和周期，并降低功耗。