定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812實(shí)現快速算法

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?xún)r(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片。該芯片兼容ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７指令系統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）。其片上外設主要包括２×８路１２位ＡＤＣ（最快８０ｎｓ轉換時(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)獨立的３２位ＣＰＵ定時(shí)器，以及多達５６個(gè)獨立編程的ＧＰＩＯ引腳，可外擴大于１Ｍ×１６位程序和數據存儲器。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２采用哈佛總線(xiàn)結構，具有密碼保護機制，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算的雙重功能。
　　
通過(guò)對TMS320F2812定點(diǎn)DSP芯片合理的系統配置和編程可實(shí)現快速運算，本文著(zhù)重對此加以說(shuō)明。
　　
2 TMS320F2812基本系統配置
　　
2. 1 TMS320F2812時(shí)鐘
　　
TMS320F2812的片上外設按輸入時(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(xiàn)，可由ＰＬＬＣＲ寄存器動(dòng)態(tài)地修改；
　　
(2)ＯＳＣＣＬＫ組：主要是看門(mén)狗電路，由ＷＤＣＲ寄存器設置分頻系數；
　　
(3)低速組：有ＳＣＩ、ＳＰＩ、ＭｃＢＳＰ，可由ＬＯＳＰＣＰ寄存器設置分頻系數；
　　
(4)高速組：包括ＥＶＡ／Ｂ、ＡＤＣ，可由ＨＩＳＰＣＰ寄存器設置分頻系數。
　　
為了使系統具有較快的工作速度，除了定時(shí)器和ＳＣＩ等少數需要低速時(shí)鐘的地方，其它外設均可以150MHz時(shí)鐘工作。
　　
2.2 存儲空間
　　
圖1 所示是TMS320F2812的內部存儲空間映射圖。TMS320F2812為哈佛（Ｈａｒｖａｒｄ）結構的DSP，即在同一個(gè)時(shí)鐘周期內可同時(shí)進(jìn)行一次取指令、讀數據和寫(xiě)數據的操作。在邏輯上有４Ｍ×１６位程序空間和４Ｍ×１６位數據空間，但物理上已將程序空間和數據空間統一為一個(gè)４Ｍ×１６位的存儲空間，各總線(xiàn)按優(yōu)先級由高到低的順序為：數據寫(xiě)、程序寫(xiě)、數據讀、程序讀。其中由ＣＹ７Ｃ１０４１擴展的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)間要求比較嚴格的程序（如時(shí)延計算子程序、FIR濾波子程序等）、變量（如FIR濾波器系數、自適應算法的權向量等）各堆?？臻g搬移到H0、L0、L1、M0、M1空間來(lái)運行。

　　
2.3 中斷
　　
TMS320F28x系列DSP片上都有非常豐富的外設，每個(gè)片上外設均可產(chǎn)生1個(gè)或多個(gè)中斷請求。中斷由兩級組成，其中一級是PIE中斷，另一級是CPU中斷。CPU中斷有32個(gè)中斷源，包括RESET、NMI、EMUINT、ILLEGAL、12個(gè)用戶(hù)定義的軟件中斷USER1～USER12和16個(gè)可屏蔽中斷（INT1～INT14、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中斷請求，所以在TMS320F28x系列DSP中設置了一個(gè)外設中斷擴展控制器（PIE）來(lái)管理片上外設和外部引腳引起的中斷請求。
　　
PIE中斷共有96個(gè)，被分為12個(gè)組，每組內有8個(gè)片上外設中斷請求，96個(gè)片上外設中斷請求信號可記為INTx.y(x=1,2,…，12;y=1,2,…,8)。每個(gè)組輸出一個(gè)中斷請求信號給CPU，即PIE的輸出INTx(x=1,2,…,…12）對應CPU中斷輸入的INT1～INT12。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 復位引導
　　
圖2所示是TMS320F2812的片上引導ROM空間映射。其此導程序配置在圖2中的0x3FFC00～0x3FFFBF,根據圖1，設置VMAP=1，MP/MC=0，ENPIE=0，復位向量指向片上0x3FFFC0，而片上0x3FFFC0中內容為0x3FFC00,即指向圖2中的引導程序。配置表2中的GPIOF4（SCITXDA）=1，則轉向FLASH中的0x3F7FF6開(kāi)始執行程序，最后在0x3F7FF6片設置跳轉指令指向用戶(hù)程序的開(kāi)始處，以開(kāi)始運行用戶(hù)程序。由于在實(shí)際應用中使用了PIE中斷，因此，在用戶(hù)應用程序中，應首先初始化PIE中斷向量表，然后使能PIE。

　　
3 編程設計
　　
編程是實(shí)現系統正常工作和快速運算必不可少的重要環(huán)節。在系統配置合理的條件下，用定點(diǎn)芯片實(shí)現快速運算的關(guān)鍵用整數取代浮點(diǎn)數進(jìn)行計算處理。用C編譯器時(shí)，為產(chǎn)生最優(yōu)代碼，應遵循以下原則：
　　
(1)將除法轉換為乘法，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)行快速運算，且應使MAC的操作數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，以節省函數調用的額外開(kāi)銷(xiāo)。
　　
(3)對FOR循環(huán)的上限，使用常數或具有常數屬性的變量可產(chǎn)生重復指令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，并采用每次轉換結束的中斷方式來(lái)紀錄采樣結果（右移4位）。
　　
轉換結果=（212 -1）×（輸入的模擬信號-ADCLO）/3
　　
ADC轉換時(shí)，首先初始化DSP系統，然后設置PIE中斷矢量表，再初始化ADC模塊，接著(zhù)將ADC中斷的入口地址裝入中斷矢量表并開(kāi)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A(yíng)DC中斷中讀取ADC轉換結果，并用軟件啟動(dòng)下一次中斷。
　　
3.2 FIR濾波器編程
　　
目標信號對某些低頻干擾非常敏感，它將直接響應到定位結果和數據的有效性。為了在濾波后不影響時(shí)延數據的計算，可采用線(xiàn)性相位的FIR濾波器。濾波器系數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（而不是單獨計算濾波器系數）的目的是為了實(shí)現快速濾波而不會(huì )過(guò)多增加整個(gè)測量系統定位計算的時(shí)間。
　　
3.3 定位算法的移植
　　
由于定位算法采用自適應時(shí)延估計法，因此計算量非常龐大，對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)計算，處理能力可達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，對初始數據、權矢量應采用16位整形變量（Q=12：由ADC轉換精度決定），而循環(huán)計算中產(chǎn)生的中間結果則使用32位整形變量（Q=20：在結果不溢出的情況下盡量滿(mǎn)足計算精度）；至于對三角函數等的運算，可用查表法并利用圖2中的表格來(lái)進(jìn)行快速計算。
　　
C編譯器帶有浮點(diǎn)運算庫，因此可將浮點(diǎn)算法和定點(diǎn)算法的結果進(jìn)行比較，對于4路各1024點(diǎn)數據處理，用浮點(diǎn)算法實(shí)現約需3.6秒，而用定點(diǎn)算法只需1.3秒。
　　
另外，還可對算法進(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)現預指機制的FLASH流水線(xiàn)模式），這樣可以達到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的保護機制，對FLASH寄存器進(jìn)行存取的這段程序必須搬移到L0、L1中執行。盡管這樣，將這段對時(shí)間要求比較荷記得的算法移植到內存H0中，可以達到最高150MIPS的處理速度，并能使用函數memcpy()完成程序的搬移。
　　
4 結束語(yǔ)
　　
在計算量較大時(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)達到較高的計算速度，這樣可節省硬件設計費用和周期，并降低功耗。