dsPIC30F6010單片機的原理及應用

    摘要：Microchip公司推出的dsPIC30F系列單片機是一種集16位單片機控制特點和DSP功能于一身的新型芯片。文中介紹了dsPIC30F6010的基本特點、硬件結(jié)構(gòu)和指令特點,分析了dsPIC30F6010在編程開發(fā)應用上的技術(shù)特點，并給出了一段具體的編程示例。

    關(guān)鍵詞：DSP；dsPIC30F6010；PIC單片機

１ 前言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及集成電路規(guī)模的不斷擴大，工業(yè)等各應用領(lǐng)域?qū)τ诤诵男酒囊笤絹碓娇量?。因而，計算機芯片也朝著高速化、專業(yè)化、模塊化、功能化、低功耗、低電壓工作等方向不斷地發(fā)展、更新。

Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ系列單片機以其內(nèi)置Ｆｌａｓｈ以及精簡指令集等技術(shù)特點成為中低檔８位單片機的主流產(chǎn)品，但是在一些復雜系統(tǒng)應用中，它仍存在一些缺陷和不足。為此，Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司新推出了ｄｓＰＩＣ３０Ｆ系列１６位單片機。它是一種具有單片機和ＤＳＰ綜合功能的１６位ＣＰＵ，不但保留了單片機的基本性能、豐富了外圍模塊，還兼具ＤＳＰ的高速運算能力，是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的最佳解決方案之一。由于集多種功能于單一芯片，從而大大節(jié)省了電路板空間。目前開發(fā)的ｄｓＰＩＣ３０Ｆ產(chǎn)品主要分為通用系列、電機控制和電源變換系列、傳感器系列等。其中ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０以其豐富的外圍模塊、Ｉ／Ｏ接口、可支持多種電機控制等特點，廣泛應用于電機控制、開關(guān)電源控制等領(lǐng)域。該單片機在許多應用中優(yōu)于３２位控制器。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的主要特點有：

●Ｆｌａｓｈ程序空間容量大，外圍部件豐富；

●強大的中斷能力，可靈活處理中斷；

●編程開發(fā)能力強大，可支持Ｃ編譯，并可方便地與ＰＩＣ系列單片機結(jié)合使用；

●強大的ＤＳＰ演算能力，與其它ＤＳＰ的指令集相比，ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０只有８４個基本指令且多為單周期指令，從而大大簡化了編程效率；

    ●內(nèi)嵌ＳＰＩ、ＵＡＲＴ、ＣＡＮ等多種通訊模塊，且具有適合于電機控制的８通道ＰＷＭ以及正交編碼接口器；

●內(nèi)含１０位高速Ａ／Ｄ和１６位深度結(jié)果緩沖區(qū)，有多種數(shù)據(jù)方式；可在睡眠方式下進行轉(zhuǎn)換；同時具有多種時鐘模式；

●寬范圍工作電壓（２．５Ｖ～５．５Ｖ），大大優(yōu)于其它單片機的５Ｖ工作電壓和ＤＳＰ的３．３Ｖ工作電壓。

２ ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的結(jié)構(gòu)特點

２．１ ＣＰＵ結(jié)構(gòu)

ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０采用改進型哈佛結(jié)構(gòu)，ＣＰＵ核具有２４位寬指令字。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。它的ＰＣ指針為２３位寬（最低位恒為“０”），可尋址４Ｍ×２４位程序存儲器空間。除了跳轉(zhuǎn)、表格等指令外，所有的指令均在一個周期內(nèi)完成。指令采用流水線操作方式，分為ＭＣＵ和ＭＡＣ等級指令，適合Ｃ編譯。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０擁有１６個１６位工作寄存器（Ｗ０～Ｗ１５），可作為數(shù)據(jù)、地址或地址偏移量寄存器，其中Ｗ１５還可作為ＣＡＬＬ指令或中斷的軟件堆棧指針。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０共有５４個中斷源和８個不可屏蔽陷阱，每個中斷源有７個中斷優(yōu)先級，可通過狀態(tài)寄存器進行軟件編寫，故可靈活控制中斷，中斷控制器可支持５個外部中斷（ＩＮＴ０～ＩＮＴ４）請求。

ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０與ＰＩＣ單片機最大的區(qū)別在于其內(nèi)嵌一個ＤＳＰ高速引擎，從而提高了ＣＰＵ核的運算能力。ＤＳＰ引擎包括一個１７×１７乘法器、一個４０位ＡＧＵ、兩個４０位飽和累加器、一個４０位雙向桶形移位器。ＤＳＰ引擎的引入可以方便單片機快速、高效地進行一些數(shù)據(jù)處理，以提高整個系統(tǒng)的實時性。

２．２ 數(shù)據(jù)ＲＡＭ結(jié)構(gòu)

ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的數(shù)據(jù)存儲器為１６位寬，共３２Ｋ字。圖２是整個數(shù)據(jù)存儲器映射圖，其中特殊功能寄存器共２ｋＢ，地址為０ｘ００００～０ｘ０７ＦＦ，主要包括ＣＰＵ和外圍設(shè)備的控制或狀態(tài)寄存器。ＲＡＭ地址從０ｘ８０００開始，分為Ｘ數(shù)據(jù)存儲器和Ｙ數(shù)據(jù)存儲器，可分開作為２個單獨的數(shù)據(jù)空間（相對于一些ＤＳＰ指令而言），也可合并作為線性數(shù)據(jù)空間（相對于ＭＣＵ指令而言）。每個存儲器都有自己的ＡＧＵ地址發(fā)生單元。雙源ＤＳＰ操作的ＭＡＣ等級指令可對 Ｘ和Ｙ數(shù)據(jù)存儲器進行操作，從而把數(shù)據(jù)空間分成兩部分以分別存放兩個操作數(shù)。ＭＣＵ指令只能通過Ｘ存儲器的ＡＧＵ來尋址整個寄存器的數(shù)據(jù)空間，以便以Ｗ寄存器作為地址指針來進行讀／寫操作。數(shù)據(jù)存儲器頂部的３２ｋＢ數(shù)據(jù)可任意映射到１６ｋ字程序空間中。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的大部分指令都能夠進行數(shù)據(jù)存儲器的讀／寫、工作寄存器（數(shù)據(jù)）讀、程序存儲器讀３個操作。對于ＤＳＰ指令，用Ｗ８和Ｗ９可執(zhí)行Ｘ存儲器空間內(nèi)的儲存器讀寫，若指向Ｙ存儲器，則返回“０”，如果指向未執(zhí)行的地址，將產(chǎn)生錯誤的地址捕捉。同理，Ｗ１０和Ｗ１１作為Ｙ存儲器的地址指針。８ｋＢ的近似數(shù)據(jù)空間可以直接通過工作寄存器指令形成的１３位絕對地址來存取。

    ２．３ 程序存儲器結(jié)構(gòu)

圖３所示的程序存儲器映射圖分為兩部分：用戶程序空間和用戶配置空間。用戶程序空間包括復位矢量、中斷矢量表、程序存儲器和數(shù)據(jù)ＥＥＰＲＯＭ存儲器；配置空間包括一些設(shè)備配置寄存器以及器件的ＩＤ位等。ＰＣ指針最低位恒為“０”，增量為２。

訪問４Ｍ×２４位程序存儲器的方法有三種，第一種是通過２３位ＰＣ指針；第二種是通過特殊的表格讀／寫指令（ＴＢＬＲＤＬ、ＴＢＬＷＴＬ、ＴＢＬＲＤＨ和ＴＢＬＷＴＨ），第三種是通過ＰＳＶ操作模式（程序空間可見）把１６ｋ字程序空間頁面映射到數(shù)據(jù)存儲器地址空間的高３２ｋＢ。

ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的外圍模塊比ＰＩＣ豐富許多。首先，通信模式增加了ＣＡＮ模塊接口，其它通信模塊的數(shù)量也增加了，因而可適應大系統(tǒng)的設(shè)計需求。其次，ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０有５個１６位ｔｉｍｅｒ模塊，其中ＴＭＲ２和ＴＭＲ３、ＴＭＲ４和ＴＭＲ５可以分別組合成３２位定時器，程序員可以選擇多種工作方式，例如１６位／３２位定時器、３２位同步計時器、門控等模式。此外，ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０還增加了電機控制ＰＷＭ模塊以及積分編碼模塊。

３ 指令特點

ｄｓＰＩＣ３０Ｆ系列單片機在增加了ＤＳＰ功能后，其指令也只有８４條，因此，和其它ＤＳＰ相比，可大大簡化編程難度。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０在指令上的主要特點有：

（１）ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的指令格式有別于ＰＩＣ單片機，它的格式為： 操作符 源操作數(shù) 目的操作數(shù)，此外還增加了許多三操作數(shù)指令；

（２）ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０為１６位ＣＰＵ，因而在指令操作上有字操作和字節(jié)操作兩種模式，可實現(xiàn)８位和１６位操作；

（３）ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０除了保留有ＰＩＣ單片機的大部分指令功能外，還增加了許多傳送、數(shù)學運算、邏輯運算指令；相比ＰＩＣ單片機，它的最大優(yōu)點是增加了乘除法指令，因而可大大減少編程難度并優(yōu)化程序。為了適應字操作，相應增加了減２、加２等指令；

（４）增加了相應的ＤＳＰ功能指令，如ＤＳＰ指令、程序流指令等；

（５）由于有多種堆棧形式，因而也就增加了不同形式的堆棧指令。

４ 編程示例

ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０可支持Ｃ編譯、匯編以及混合編譯等多種模式，用戶可根據(jù)自身能力選擇不同的編程方式。

４．１ Ｃ編譯

ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的編程模式基本上和Ｃ語言及其它單片機或ＤＳＰ的Ｃ編譯相似，下面以Ａ／Ｄ采樣為例給出其編程應用，設(shè)計時需要注意的是：

（１）寄存器必須大寫；

（２） 直接對某些位進行操作時,可在該寄存器后加ｂｉｔｓ，如ＡＤＣＯＮ１ｂｉｔｓ．ＡＤＯＮ＝１；

（３） 牢記先定義后使用的原則,調(diào)用的數(shù)學函數(shù)必須由編譯軟件庫函數(shù)所支持。

ｉｎｔ ｍａｉｎ (ｖｏｉｄ) ? ;主程序

{ ｐｏｒｔｉｎｉｔｉａｌ();

ａｄｉｎｉｔｉａｌ();

ＡＤＣＯＮ１ｂｉｔｓ．ＡＤＯＮ＝１;

ＡＤＣＯＮ１ｂｉｔｓ．ＳＡＭＰ＝１;

ｄｅｌａｙ();

ＡＤＣＯＮ１ｂｉｔｓ．ＳＡＭＰ＝０;

… … … …

}

ｖｏｉｄ ｐｏｒｔｉｎｉｔｉａｌ()? ;初始化Ｉ／Ｏ口

{

ＴＲＩＳＥ＝０ｘ００００;

ＰＯＲＴＥ＝０ｘ００００;

}

ｖｏｉｄ ａｄｉｎｉｔｉａｌ()? ;ＡＤ初始化子程序

{ ＡＤＣＯＮ１＝０ｘ２２０８;

ＡＤＣＯＮ２＝０ｘ００００;

ＡＤＣＯＮ３＝０ｘ００００;?

ＡＤＣＨＳ＝０ｘ００００;

ＡＤＣＳＳＬ＝０ｘ００００;

ＡＤＰＣＦＧ＝０ｘ００００;

ＩＦＳ０ｂｉｔｓ．ＡＤＩＦ＝０;

ＩＥＣ０ｂｉｔｓ．ＡＤＩＥ＝１;

}

ｖｏｉｄ ｄｅｌａｙ() ?;延時子程序

{

ｆｏｒ (ｊ＝１０００;－－ｊ;) ｃｏｎｔｉｎｕｅ?

}

４．２ 混編技術(shù)

在Ｃ語言中調(diào)用匯編語言時，只要在Ｃ匯編中定義一個ｅｘｔｅｒｎ型變量或函數(shù)并在其前面加一前綴（ ）即可。如在Ｃ程序中：

… … … …

ｅｘｔｅｒｎ ｖｏｉｄ ｍｏｄｕｌｏ(ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ＊, ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ＊, ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ)；聲明函數(shù)類型

… … … …

ｉｎｔ ｍａｉｎ (ｖｏｉｄ)

{… … … …

ｍｏｄｕｌｏ( ａｒｒａｙ１, ａｒｒａｙ２, ＰＲＯＤＬＥＮ－１);在Ｃ程序中調(diào)用

… … … …

}

在匯編中調(diào)用：

．ｇｌｏｂａｌ_ｍｏｄｕｌｏ ；定義全局變量

_ｍｏｄｕｌｏ：

… … … …

．ｅｎｄ

５　結(jié)束語

在某些應用場合，綜合了１６位單片機和ＤＳＰ功能的ｄｓＰＩＣ３０Ｆ器件要大大優(yōu)于３２位單片機，而且可降低成本，同時，Ｃ代碼效率也降低了對存儲器的需求，從而緩解了１６位單片機和低端數(shù)字信號處理器ＤＳＰ存在的性能差。由于它本身的ＤＳＰ功能大大提高了運算和響應能力，因而提高了系統(tǒng)的實時性，可完全適應現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展的要求。豐富的外圍模塊以及Ｉ／Ｏ設(shè)備，必然使得ｄｓＰＩＣ３０Ｆ在未來的ＤＳＰ市場中占有重要地位。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)開始在電機控制、網(wǎng)絡連接、語音和音響、電源變換和監(jiān)視、傳感器控制、汽車控制等領(lǐng)域中開發(fā)應用?？梢灶A見，隨著ｄｓＰＩＣ３０Ｆ系列產(chǎn)品的不斷開發(fā)和完善，以及開發(fā)工具、開發(fā)軟件的不斷豐富，ｄｓＰＩＣ３０Ｆ必將得到廣大用戶的青睞。