TMS320LF240x DSP控制器的應(yīng)用實踐

引 言
    TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片之后，相繼推出了多種適合不同應(yīng)用、不同規(guī)格的DSP系列。TMS320F240x DSP是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計的，屬于TMS320C2xx系列。通過把一個高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外部設(shè)備集成在一個芯片的方案，TMS320LF240x DSP成為傳統(tǒng)微控制器和昂貴的多片設(shè)計的一種廉價替代產(chǎn)品。3OMIPS的處理速度，使TMS320IF240x DSP可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能。筆者曾用該系列芯片中的TMS320F2406開發(fā)過電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，得到了滿意的結(jié)果。結(jié)合自己的開發(fā)經(jīng)驗，筆者簡要介紹TMS320LF240xDSP的硬件結(jié)構(gòu)、C程序開發(fā)過程中若干關(guān)鍵的問題。其中很多包括筆者的心得和體會。

1 TMS320LF240X DSP硬件結(jié)構(gòu)特點
    TMS320LF240x DSP有以下一些特點：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3．3V，減少了功耗；基于TMS320C2xxDSP的CPU核，保證與TMS320系列DSP代碼兼容；片內(nèi)有高達(dá)32K字的Flash程序存儲器，544字的雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)；兩個事件管理器模塊EVA和EVB，適用于控制各類電機(jī)；看門狗定時器模塊(WDT)；控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2．0B模塊；串行通信接口(SCI)模塊；16位的串行外設(shè)接口(SPI)模塊；JTAG接口，使得在系統(tǒng)編程(ISP，)很容易實現(xiàn)；10位A／D轉(zhuǎn)換器最小的轉(zhuǎn)換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)2個8通道輸入A／D轉(zhuǎn)換器或1個16通道輸入A／D轉(zhuǎn)換器，而每次要轉(zhuǎn)換的通道都可通過編程來選擇。需要說明的是，TMS320LF240x DSF是定點l6位芯片，存儲數(shù)據(jù)的最小單位是16位的字，每個地址(包括程序地址、數(shù)據(jù)地址及I／O地址)所存的數(shù)據(jù)都是16位。
1．1 改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線操作
    DSP采用程序空間和數(shù)據(jù)空間完全分開的哈佛(Havard)結(jié)構(gòu)，允許同時取指令和操作數(shù)，而且允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間相互傳遞數(shù)據(jù)，即改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。TMS320LF240x DSP的cPu核心具有獨(dú)立的內(nèi)部數(shù)據(jù)和程序總線結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)和程序總線分為6條l6位的總線，分別為：PAB，程序地址總線，為讀寫程序空間提供地址；DRAB，數(shù)據(jù)讀地址總線，為讀數(shù)據(jù)空間提地址；DWAB，數(shù)據(jù)寫地址總線，為寫數(shù)據(jù)空間提供地址；PRDB，從程序空間向c．PU傳送代碼、立即操作數(shù)和表信息的程序讀總線；DRDB，從數(shù)據(jù)空間向中央算術(shù)邏輯單元(CALU)和輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU)傳送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀總線；DWEB，可以傳送數(shù)據(jù)到程序空間和數(shù)據(jù)空間的數(shù)據(jù)寫總線。數(shù)據(jù)讀地址總線(DRAB)和數(shù)據(jù)寫地址總線(DWAB)是相互獨(dú)立的地址總線，CPU 在相同的機(jī)器周期內(nèi)可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。
    TMS320LF240x DSP流水線具有四個獨(dú)立的階段：取指令、指令譯碼、取操作數(shù)以及指令執(zhí)行。一般情況下，取指令占用PAB和PRDB；指令譯碼不占用任何程序和數(shù)據(jù)總線；取操作數(shù)占用DRAB和DRDB；指令執(zhí)行包括將執(zhí)行結(jié)果寫回數(shù)據(jù)存儲器，將占用DWAB和DWEB?？梢?，TMS320LF240x DSP獨(dú)特的總線結(jié)構(gòu)大大減少了流水線沖突，極大提高了指令的運(yùn)行速度。
1. 2事件管理器模塊
    事件管理器模塊提供了許多適用于運(yùn)動控制和電機(jī)控制的功能。每個240x器件都包括兩個事件管理器模塊：EVA和EVB。每個事件管理器模塊包括兩個16位69通用定時器、比較單元、捕獲單元、8個16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道以及正交編碼脈沖輸入電路。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時導(dǎo)通而引起短路。事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級電機(jī)以及逆變器。

2 C0FF目標(biāo)文件  
    TI公司匯編器所創(chuàng)建的目標(biāo)文件采用的是一種稱為COFF(Common Object File Format)的文件格式，即共同目標(biāo)文件格式。目的是提高編程和程序執(zhí)行的效率，同時也有利于使用TI公司的BIOS(Basic Input Output System)。
    COFF文件格式的核心概念就是使用代碼段、數(shù)據(jù)段編程，而不是指令或數(shù)據(jù)簡單的順序編寫。代碼段和數(shù)據(jù)段的概念不僅是現(xiàn)代軟件編制的重要技術(shù)概念，同時也是嵌入式系統(tǒng)的重要編程技術(shù)。使用這種技術(shù)的優(yōu)點是：程序具有良好的可讀性；程序具有良好的可移植性；能與系統(tǒng)存儲單元充分配合。
    在COFF目標(biāo)文件中，段(section)是其最小的單位。所謂“段”就是最終在TMS320 DSP的存儲器映像中占據(jù)連續(xù)空間的一塊代碼或數(shù)據(jù)。這些段在目標(biāo)文件中是相互獨(dú)立的。由于大多數(shù)系統(tǒng)都包含有不同類型的存儲器(ROM、RAM、EEPROM)，所以使用段可使用戶更有效地利用目標(biāo)存儲器；所有段都能夠獨(dú)立進(jìn)行重定位，因此可以將不同的段分配至不同類型的存儲器中去。
    通常，一個COFF目標(biāo)文件中都包含三個缺省段：text段(通常包含可執(zhí)行代碼)、．data段(通常包含已初始化數(shù)據(jù))和．bss段(通常為未初始化的數(shù)據(jù)保留所需的空間)。除了這三個缺省的段之外，編程人員可使用匯編器指示符(.sect和usect)自定義段。
    TMS320LF240x DSP C編譯器產(chǎn)生可重定位的數(shù)據(jù)段和代碼段。這些段以不同方式分配到內(nèi)存中，以滿足不同的系統(tǒng)配置。編譯器創(chuàng)建兩種基本的段：初始化段和未初始化段。
    初始化段包括數(shù)據(jù)表和可執(zhí)行代碼。C編譯器創(chuàng)建下初始化段：
    ◆.text段一包含所有的可執(zhí)行代碼和浮點常數(shù)；
    ◆.cinlt段一包含用于初始化全局變量和靜態(tài)變量的表：
    ◆.const段一包含字符常量以及用關(guān)鍵字const聲明的全局和靜態(tài)變量：
    ◆.switch段一包含switch語句的跳轉(zhuǎn)表。
    未初始化段在內(nèi)存(通常是RAM)中保留空間。程序在運(yùn)行時用這些空間創(chuàng)建和保存變量。編譯器創(chuàng)建以下未初始化段：
    ◆．bss段一為全局變量和靜態(tài)變量保存空間，在程序開始運(yùn)行時，C初始化boot程序?qū)?shù)據(jù)從．Clnlt拷貝到bss段中；
    ◆．stack段——為系統(tǒng)堆棧分配存儲空間，用于將變量傳遞至函數(shù)以及為局部變量分配空間；
    ◆.system段一為動態(tài)內(nèi)存分配保留空間，為動態(tài)存儲函數(shù)malloc、callo和realloc分配存儲空間。當(dāng)然，若C程序沒有用到這些函數(shù)，那么編譯器就不用創(chuàng)建system段了。

3 C程序運(yùn)行環(huán)境
    TMS320LF240x DSP提供兩種編程語言：匯編語言和C語言。如果源程序為C語言，需調(diào)用TMS320LF240x DSP的C編譯器將其編譯成匯編語言，然后送匯編器進(jìn)行匯編。匯編后產(chǎn)生COFF格式的目標(biāo)文件，再用鏈接器進(jìn)行鏈接(鏈接過程包括將編譯器的運(yùn)行支持庫相關(guān)代碼鏈接進(jìn)來以及代碼段和數(shù)據(jù)段的重定位)，生成在TMS320LF240x DSP上可執(zhí)行的COFF格式的目標(biāo)代碼(如有必要，可使用目標(biāo)代碼格式轉(zhuǎn)換工具)，并調(diào)用下載程序?qū)⒛繕?biāo)代碼下載到目標(biāo)芯片上。
    TMS32OC2xx DSP(當(dāng)然包括TMS320LF240x DSP)C語言編譯器包含兩個庫：rts2xx．1ib和rts.src。
(1)rts2xx.Ii b
    rts2xx.1ib運(yùn)行支持目標(biāo)庫。具有COFF文件格式。運(yùn)行支持目標(biāo)庫(即rts2xx1ib)是由rts.src中的C和匯編源程序通過編譯和匯編而得到的。rts2xx lib包含三部分內(nèi)容：ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫、系統(tǒng)啟動程序c int00、允許C訪問特殊指令的函數(shù)和宏。
    鏈接程序時，必須指明具體的目標(biāo)庫并把該庫作為鏈接輸入文件之一，這樣對目標(biāo)庫所包含的運(yùn)行支持函數(shù)的引用就得到了解決。鏈接運(yùn)行目標(biāo)庫時，鏈接器只是將目標(biāo)庫中被引用部分加進(jìn)目標(biāo)文件。這里所說的目標(biāo)庫指的就是rts2xx.lib。由于運(yùn)行支持函數(shù)符合函數(shù)調(diào)用規(guī)約，可以直接被C訪問。
(2)rts.src
    rts.src運(yùn)行支持源文件庫，由c和匯編源程序組成，可在集成開發(fā)環(huán)境(CCS)下打開，任何一個運(yùn)行支持函數(shù)的源代碼都可以在rts.src找到。
    rts.src中包含有用匯編語言編寫的算術(shù)程序。由于這些函數(shù)的特殊調(diào)用規(guī)約，它們不能從C中被訪問：但可以對它們作擴(kuò)展或修改以作為自己的程序。只要修改后的程序遵循函數(shù)特定的調(diào)用規(guī)約和保護(hù)規(guī)約，它們就可以被C直接訪問。
    算術(shù)程序中包含浮點運(yùn)算函數(shù)。浮點數(shù)采用IEEE754單精度浮點數(shù)格式為

    浮點數(shù)由3部分組成，即符號位(“S”)、指數(shù)和尾數(shù)。指數(shù)是有+127偏置的無符號整數(shù)。一個浮點數(shù)占有32位，占用TMS320LF240x DSP兩個字的空間。32位規(guī)格化數(shù)的值由值(規(guī)格化)=(-1)3×l.尾數(shù)×2(指數(shù)-127)給出。這樣，浮點數(shù)O.5的單精度浮點數(shù)為3F000000h，格式為

    例如，源庫rts.src中的匯編函數(shù)F$$ITOF是將16位有符號整形數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，只要在匯編程序中加入“ref F$$ITOF”指令，即可直接調(diào)用該函數(shù)。查看F$$ITOF函數(shù)的說明文檔可知，該函數(shù)不遵循C子程序調(diào)用規(guī)約，所以它不能直接被C調(diào)用。
    下面介紹C程序的系統(tǒng)初始化。
    在運(yùn)行C程序之前，必須創(chuàng)建C運(yùn)行環(huán)境。這個程序由C引導(dǎo)程序使用名為c_intO的函數(shù)來執(zhí)行。運(yùn)行支持源庫(rts.src)在名為boot.asm的模塊中包含這個程序的源程序。c_intO執(zhí)行如下初始化C環(huán)境的任務(wù)：
    ①為系統(tǒng)堆棧定義一個名為stack的段，并設(shè)置初始化指針；
    ②初始化全局變量，將．Clnlt段中的初始化表中的數(shù)據(jù)復(fù)制到bss段中；
    ③調(diào)用函數(shù)main來運(yùn)行C程序。
    運(yùn)行堆棧(即.stack段)被分配在存儲器的一個連續(xù)塊中，并且從低地址向高地址增加。寄存器ARl通常指向堆棧中下一個可獲得的字(堆棧頂加一個字)。代碼不會檢查運(yùn)行時堆棧是否會溢出，因此要確保分配給堆棧足夠的空間。
    有些全局變量在C程序開始運(yùn)行前必須賦初值，檢索這些變量的數(shù)值并用數(shù)值將它們初始化的過程成為自動初始化。編譯器在名為．clnlt(該段位于程序空間)的特殊段中建立表。該段包含了用于初始化全局變量和靜態(tài)變量的數(shù)據(jù)。每個被編譯模塊都包含這些初始化表，鏈接器將它們組成單個表(單個的clnlt段)。引導(dǎo)程序使用這個表初始化所有的系統(tǒng)變量。
    .clnlt段中的表是由多項初始化記錄組成的。每個必須自動初始化的變量在．cinit段中都有記錄,.clnlt段中初始化記錄的格式如圖l所示。

    初始化記錄包括三部分：字節(jié)長度，即需要初始化的變量個數(shù);.bss中變量的指針，為該記錄第一個變量在．bss段中的地址；初始化數(shù)據(jù)，指的是用于初始化變量的數(shù)據(jù)。初始化數(shù)據(jù)的個數(shù)必須和字節(jié)長度相等。在變量的自動初始化過程中，為了能讓初始化程序識別初始化記錄的結(jié)尾，最后一項初始化記錄的第一個字用0填充，即該初始化記錄的字節(jié)長度為0。至此初始化程
序完成了全局變量的初始化。
    全局變量的初始化包括運(yùn)行時變量的自動初始化和加載時變量的初始化。筆者認(rèn)為，加載時變量的初始化沒有實用價值。因為當(dāng)DSP斷電后，這些變量的值就丟失了。當(dāng)DSP重新上電后，由于初始化程序不給這些全局變量賦初值，使得系統(tǒng)的初始化失敗。

4 C語言和匯編語言的混合編程
    開發(fā)DSP芯片可以用匯編語言或C語言。兩種語言各有所長：用C語言開發(fā)DSP芯片，開發(fā)速度快，可讀性好，可移植性強(qiáng)；而用匯編語言開發(fā)DSP芯片，則能充分利用DSP芯片的軟硬件資源，程序代碼的執(zhí)行效率高。在DSP運(yùn)算能力比較寬裕，實時性要求不是很強(qiáng)的場合，用C語言非常合適。在對運(yùn)算速度以及實時性要求極高或者是在不能擴(kuò)展外部存儲器而且片內(nèi)存儲器又非常有限的條件下，使用匯編語言幾乎是必須的。在程序的開發(fā)過程中，幾乎不可避免地要使用C語言和匯編語言的混合編程。
    用C語言和匯編語言進(jìn)行混合編程主要有以下三種方法：
    ①獨(dú)立編寫C程序和匯編程序，分開編譯或匯編形成各自的目標(biāo)代碼模塊，然后用鏈接器將C語言模塊和匯編模塊鏈接起來。這其實就是一個C模塊和匯編模塊的接口問題。
    ②直接在C程序中的相應(yīng)位置嵌入?yún)R編語句。
    ③對C程序進(jìn)行匯編生成相應(yīng)代碼，然后對這些匯編代碼進(jìn)行手工優(yōu)化與修改。
    在用c語言和匯編語言進(jìn)行混合編程時，必須遵循寄存器規(guī)約和函數(shù)調(diào)用規(guī)約。 
（1）寄存器規(guī)約 
    在C環(huán)境中，對什么寄存器用于完成什么樣的操作有嚴(yán)格規(guī)定。所有這些規(guī)定統(tǒng)稱為寄存器規(guī)約(registcr conventions)。如果想編寫出正確的C語言DSP程序，將C程序和匯編程序接口，則必須理解和遵循這些規(guī)約寄存器規(guī)約規(guī)定編譯器如何使用寄存器以及在函數(shù)的調(diào)用過程中如何保護(hù)寄存器。在函數(shù)的調(diào)用過程中有兩種保護(hù)寄存器的方法：一種是在調(diào)用時保護(hù)寄存器(由調(diào)用函數(shù)來完成)，另一種是在被調(diào)用函數(shù)程序的入口處保護(hù)寄存器(由被調(diào)用函數(shù)來完成)。限于篇幅，不再詳細(xì)介紹。在編程的過程中，一定要嚴(yán)格遵循這些規(guī)約，否則，會出現(xiàn)錯誤。
(2)函數(shù)調(diào)用規(guī)約
    C編譯器對函數(shù)調(diào)用有一系列嚴(yán)格的規(guī)約。任何函數(shù)不管是調(diào)用C函數(shù)，還是被C函數(shù)調(diào)用，都必須遵循這些規(guī)約。不遵循這些規(guī)約將破壞C環(huán)境，導(dǎo)致程序運(yùn)行失敗。函數(shù)調(diào)用規(guī)約(function calling conyentions)l確規(guī)定在函數(shù)調(diào)用的全過程中，調(diào)用函數(shù)和被調(diào)用函數(shù)所必須執(zhí)行的操作，以保證調(diào)用前后C環(huán)境的一致性。
    當(dāng)父函數(shù)調(diào)用子函數(shù)時，必須保證當(dāng)前的輔助寄存器為ARl。父函數(shù)執(zhí)行以下操作：①將被調(diào)用函數(shù)所需參數(shù)的值壓入堆棧(按從右到左的順序)，使最左邊的參數(shù)位于堆棧的頂部；②調(diào)用子函數(shù)，即開始執(zhí)行子函數(shù)程序代碼；③父函數(shù)認(rèn)為，當(dāng)函數(shù)調(diào)用返回時，ARl是當(dāng)前的輔助寄存器；④當(dāng)被調(diào)用函數(shù)完成時，父函數(shù)將堆棧指針移回到函數(shù)調(diào)用前的位置。直接把壓入堆棧中參數(shù)的值丟棄。
    由上可看出，函數(shù)調(diào)用過程中參數(shù)的傳遞是值傳遞，并沒有改變參數(shù)的值，只是把被調(diào)用函數(shù)所需參數(shù)的值拷貝進(jìn)堆棧中。子函數(shù)使用的是堆棧中的拷貝。子函數(shù)對拷貝部分的修改并不改變參數(shù)的值。當(dāng)函數(shù)調(diào)用完成時，父函數(shù)直接將堆棧中的拷貝丟棄。
    子函數(shù)所執(zhí)行的操作相對復(fù)雜一些，這里不再敘述。讀者可參閱TI公司技術(shù)手冊：TMS320C2x／C2xx／C5xOptlmizing CCompiler Users’s Guide。

結(jié)語
    從普及、推廣的角度來看，TI公司的TMS320C2xx系列具有較好的應(yīng)用基礎(chǔ)和較高的性能價格比，在我國有著廣泛的應(yīng)用前景。TMS320LF240x DSP是TMS320C2xx系列中的新成員，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的l6位微控制器和微處理器，非常適用于電機(jī)的數(shù)字化控制，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品。用高級語言進(jìn)行DSP的開發(fā)是DSP開發(fā)的重要方向。C語言在滿足控制應(yīng)用程序運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上可以更好地維護(hù)程序和移植程序，是開發(fā)控制應(yīng)用程序的必然趨勢。因此，我們有必要深入了解C程序的運(yùn)行環(huán)境和編譯器的工作原理。DSP軟硬件開發(fā)過程中綜合了多方面的知識，只有在充分了解硬件資源的基礎(chǔ)上，才能開發(fā)出好的程序。