高性能浮點(diǎn)DSP芯片及其最小系統的設計

TMS320C6713是美國德州儀器公司(TI)繼TMS320C62X系列定點(diǎn)DSP芯片后開(kāi)發(fā)的一種32 bit新型浮點(diǎn)DSP芯片,該芯片的內部結構在TMS320C62X基礎上改進(jìn)，具有如下革命性的特點(diǎn)：

(1)處理速度快，工作主頻最高可達到300 MHz，峰值運算能力為2 400 MIPS/1 800 MFLOPS；

(2)硬件支持IEEE格式的32 bit單精度與64 bit雙精度浮點(diǎn)操作；

(3)集成了32×32 bit的乘法器，其結果可為32 bit或64 bit；

(4)TMS320C62X指令無(wú)需任何改變即可在TMS320C6713上運行。

1 結構特點(diǎn)

TMS320C6713是TI新推出的高速浮點(diǎn)DSP，工作主頻200 MHz，其單指令執行周期僅5 ns；具有強大的定點(diǎn)浮點(diǎn)運算能力，運算速度可達1 600 MIPS/1 200 MFLOPS。與TMS320其他系列DSPs相比，C6000系列DSPs最主要的特點(diǎn)是在體系結構上采用了VelociTI超長(cháng)指令字VLIW(Very long Instruction Word)結構，VLIW體系結構中，是由一個(gè)超長(cháng)的機器指令字來(lái)驅動(dòng)內部的多個(gè)功能單元的（這也是VLIW名字的由來(lái)）。每個(gè)指令字包含多個(gè)字段（指令），字段之間相互獨立，各自控制一個(gè)功能單元，因此可以單周期發(fā)射多條指令，實(shí)現很高的指令級并行效率。C6000的VLIW采用了類(lèi)RISC指令集，使用大統一的寄存器堆，結構規整，具有潛在的易編程性和良好的編譯性能，在科學(xué)應用領(lǐng)域可以發(fā)揮良好的性能。

TMS320C6713是一種支持浮點(diǎn)運算的DSP芯片，是德州儀器公司設計的用于高端處理的長(cháng)指令、多功能的DSP芯片。其內部結構功能模塊如圖1所示，它主要包括中央處理器CPU、片內存儲器和片內集成外設3部分。

1.1 CPU內核的功能單元

TMS320C6713的CPU是最新采用VelociTI體系結構的DSP芯片。VelociTI是高性能、先進(jìn)的VLIW結構，多個(gè)功能單元并行工作，共享公用的大型寄存器組，同時(shí)執行的各種操作是由VLIW的長(cháng)指令分配模塊進(jìn)行同步協(xié)調的，這種結構使其成為多通道、多功能以及高性能應用的首選器件。CPU內核作為DSP芯片的運算和控制中心，包括以下幾部分：(1)程序取指令單元、指令分配單元、指令譯碼單元;(2)2個(gè)數據通道A、B,每個(gè)通道中包括一個(gè)由16個(gè)32 bit寄存器組成的寄存器組和4個(gè)功能單元：①算術(shù)和邏輯運算單元(.L)②分支、位操作和算術(shù)運算單元(.S)③乘法操作單元（.M）④裝載/存儲和算術(shù)單元（.D）;(3)控制寄存器;(4)控制邏輯;⑸測試、在線(xiàn)仿真接口和中斷控制。

1.2 片內存儲器

TMS320C6713的芯片內部存儲器采用兩級高速緩存結構，如圖1所示，包括：4 KB的第一級高速程序緩存（L1P）、4 KB第一級高速數據緩存(L1D)、和第二級總共256 KB片內存儲容量(64 KB的L2統一緩存/映射RAM和192 KB的附加L2 RAM)。

無(wú)論是TMS320C6713還是TMS320C6713B都應用了雙層的Cache結構，對外具有強有力的驅動(dòng)能力。第一層為4 KB的程序緩沖區和可雙向尋址的數據緩沖區，第二層有256 KB的程序和數據緩沖區，其中64 KB為存儲區，剩下為SRAM區，這種獨特的二級緩存結構大大提高了CPU的工作效率。

1.3 片內集成外設

TMS320C6713的芯片內部集成了許多外圍設備接口，可以方便地連接片外存儲器、主機、串行設備等外設。所有外部接口都是由一些信號線(xiàn)和控制寄存器組成，開(kāi)發(fā)人員對接口設計的主要工作就是完成接口連線(xiàn)和寫(xiě)控制寄存器兩項工作,使得擴展外設變得更加容易。

　C6713片內集成的一個(gè)32 bit的外部存儲器接口EMIF(External Memory Interface)，可以外擴8 bit、16 bit、32 bit并行存儲器。內部的16個(gè)獨立的擴展直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)通道EDMA(Enhanced Direct-Memory-Access)大大提高了存儲器訪(fǎng)問(wèn)的效率,EDMA面向實(shí)時(shí)信號處理,可以在CPU后臺高效完成存儲空間中數據的轉移,具有高效的傳輸速率,C621x和671x的數據傳輸率可高達1 200 MB/s。2個(gè)McASP(multichannel audio serial port)；2個(gè)McBSP(multichannel buffered serial port)，可以模擬幾乎所有形式的串行接口；2個(gè)I2C總線(xiàn)接口；2個(gè)32 bit的通用定時(shí)器；16通道通用I/O口GPIO(general-purpose input/output)；一個(gè)16 bit的主機接口HPI(Host-Port Interface)；還包括程序和數據存儲器控制器、中斷控制器、定時(shí)器、時(shí)鐘發(fā)生器、PLL(鎖相環(huán)控制發(fā)生器)及掉電邏輯等功能單元。

2 TMS320C6713 DSP硬件最小系統設計

　TMS320C6713(主頻225 MHz)是C67X系列中一款典型且應用廣泛的DSP芯片，其硬件最小系統所要完成的主要功能包括：進(jìn)行基本信號采集、數據運算及數據、程序存儲；音頻信號的采集、處理及輸入、輸出；與主機間的通信及數據、程序傳輸，同時(shí)配備了外部擴展接口，方便對系統的功能擴展以實(shí)現更廣泛的嵌入式應用。將以上主要功能分成如圖2所示的功能模塊：音頻處理模塊、數據處理模塊、電源轉換供電模塊。

2.1音頻處理模塊

　在音頻處理模塊中，本系統采用TI公司生產(chǎn)的音頻處理芯片TLV320AIC34，它是一款高性能的立體聲音頻編解碼器，并同時(shí)集成了高度的模擬功能,再配以相關(guān)的輔助電路完成音頻信號的初始處理,它具有麥克風(fēng)輸入、音頻線(xiàn)輸入2種輸入方式及音頻線(xiàn)輸出、揚聲器輸出2種輸出方式。音頻處理芯片TLV320AIC34采集的音頻信號經(jīng)DSP芯片或其自身進(jìn)行一定的調制處理后傳到計算機主機或直接由TLV320AIC34將DSP芯片處理過(guò)的信號傳送出去。

2.2 數據處理模塊

　在數據處理模塊中，系統中的DSP芯片、程序存儲器和數據存儲器3塊芯片是整個(gè)模塊電路的核心。該模塊的功能是使用DSP芯片的EMIF(外部存儲器接口)，完成與外部數據存儲器(SDRAM)數據傳輸和程序存儲器(FLASHROM）程序讀寫(xiě)任務(wù)，實(shí)現數據的實(shí)時(shí)計算處理及存儲；具有硬件中斷和復位功能；并通過(guò)JTAG接口電路與硬件仿真器相連接后再接到計算機主機，實(shí)現與計算機的數據通信；使用McBSP(多路緩沖串行口)完成串行數據接收和發(fā)送工作，實(shí)現對音頻處理模塊的控制和數據交換功能。同時(shí)還對DSP芯片未使用的引腳進(jìn)行處理，將全部引出為日后功能的擴展提供基礎。

2.3 電源供電模塊

　在電源供電模塊中,為實(shí)現硬件之間的良好匹配，本系統采用TI公司的2塊電源芯片TPS54350。它的輸入電壓為5 V,分別為音頻處理模塊和數據處理模塊提供3.3 V電源電壓并為數據處理模塊提供1.26 V芯片內核電壓，同時(shí)具備掉電復位和電源電壓無(wú)法達到額定值時(shí)的自動(dòng)復位功能。

3 TMS320C6713的硬件最小系統PCB設計注意事項

3.1音頻處理模塊PCB設計注意事項

　音頻處理模塊主要完成音頻信號的采集處理，TLV320AIC34音頻處理芯片將采集到的信號作初步處理，也可以將信號傳送給DSP芯片由其作進(jìn)一步的處理。元件布局走線(xiàn)時(shí)應注意：

　(1)4個(gè)模擬信號的插頭布置在電路板的邊緣，對于每個(gè)通道傳送過(guò)程中的電阻、電容要適當置在對應的信號傳輸通道上。處理之后的信號在拉入音頻芯片相應引腳時(shí)，走線(xiàn)距離不能太遠，以免受到不必要的干擾。

　(2)采用兩層電路板走線(xiàn)，具體為在表層走模擬和數字信號，底層主要是用來(lái)進(jìn)行大面積鋪地，起信號屏蔽作用。將模擬信號與數字信號完全分開(kāi)，分成兩個(gè)不同的區域，避免相互干擾。

3.2 數據處理模塊PCB設計注意事項

　作為以DSP芯片為核心的高頻數據處理模塊，在進(jìn)行PCB設計時(shí)更要謹慎，需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)考慮到信號走線(xiàn)的順利通暢，盡可能不受干擾，故在設計電路板層的布局時(shí)要分層，為此設置2個(gè)電源層DSPIO_3.3 V、DSP_CVDD和一個(gè)接地層GND，另外設置3個(gè)信號層并保證其都盡可能靠近接地層，從而使信號的傳輸質(zhì)量效果最佳。

(2)在元件布局時(shí)，應盡量保證DSP芯片和存儲器之間的距離盡可能近些，這樣可以減少制板費并避免走線(xiàn)過(guò)長(cháng)導致信號線(xiàn)受到寄生電感的干擾而使信號的質(zhì)量下降甚至完全失效。所以采用的排阻也要盡可能接近存儲器，以保證信號可靠穩定。

(3)對于JTAG模塊，它包含標準的14腳插座以及未使用的EMU2-EMU5引腳，仿真及邊界掃描工作模式的設定，將這3個(gè)部分全部以標準插座的形式引出，并盡可能放置在電路板的一側靠近邊緣的地方。

(4)在走線(xiàn)過(guò)程中，盡可能保持信號線(xiàn)的長(cháng)度近似相等，這樣才會(huì )盡可能地保證信號傳送的同步性，避免出現延時(shí)現象。走線(xiàn)應盡可能向一個(gè)方向，盡量避免出現經(jīng)常性的折返，以防止傳輸信號的質(zhì)量受到影響。其次是未用引腳的引出應依據其功能將其分為2個(gè)標準的2×20的插座。

3.3 電源轉換供電模塊PCB設計注意事項

　電源轉換供電模塊主要提供DSPIO_3.3 V和DSP_CVDD 2種電壓，設計時(shí)采用2層電路板來(lái)實(shí)現電源轉換供電模塊的功能。具體是表層為電源、信號層走線(xiàn)，所有的信號布線(xiàn)盡可能安排在表層，在底層走少量信號線(xiàn)。底層主要是作為接地層，并做大面積鋪地處理，同時(shí)表層要求接地的部分就近大量打孔，將接地信號直接就近連接底層作接地處理。依據其工作原理,將5 V電壓分為兩路通道進(jìn)行轉換，走線(xiàn)時(shí)注意電源線(xiàn)和通道的走線(xiàn)寬度以達到承受電流要求，同時(shí)也注意電磁噪聲信號的干擾。

　TMS320C6713是美國德州儀器公司開(kāi)發(fā)的新型浮點(diǎn)DSP芯片，具有非常高的運行速度、集成度和良好的擴展性。由于其出色的運算能力、高效的指令集、智能外設、大容量的片內存儲器和大范圍的尋址能力，適合于對運算能力和存儲量有高要求的應用場(chǎng)合。特別是在專(zhuān)業(yè)音頻產(chǎn)品、混頻器、音頻合成器、儀器/放大器建模、音頻會(huì )議和廣播、生物辨識、醫療、工業(yè)、數字成像、語(yǔ)音識別和分組等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。