定點DSP芯片TMS320F2812實現(xiàn)快速算法應(yīng)用

摘要：論述了以DSP芯片TMS320F2812為核心的一種測量儀器的組成原理、設(shè)計思想以及快速定點算法的實現(xiàn)方法，同時對定點和浮點算法結(jié)果進行了比較。

關(guān)鍵詞：定點芯片；浮點運算；快速算法；系統(tǒng)配置；TMS320F2812

１ TMS320F2812簡介

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２是ＴＩ公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的３２位定點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１８ｋ１６位０等待周期片上ＳＲＡＭ和１２８ｋ１６位片上ＦＬＡＳＨ（存取時間３６ｎｓ）。其片上外設(shè)主要包括２８路１２位ＡＤＣ（最快８０ｎｓ轉(zhuǎn)換時間）、２路ＳＣＩ、１路ＳＰＩ、１路ＭｃＢＳＰ、１路ｅＣＡＮ等，并帶有兩個事件管理模塊（ＥＶＡ、ＥＶＢ），分別包括６路ＰＷＭ／ＣＭＰ、２路ＱＥＰ、３路ＣＡＰ、２路１６位定時器（或ＴｘＰＷＭ／ＴｘＣＭＰ）。另外，該器件還有３個獨立的３２位ＣＰＵ定時器，以及多達５６個獨立編程的ＧＰＩＯ引腳，可外擴大于１Ｍ１６位程序和數(shù)據(jù)存儲器。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護機制，可進行雙１６１６乘加和３２３２乘加操作，因而可兼顧控制和快速運算的雙重功能。

通過對ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２定點ＤＳＰ芯片合理的系統(tǒng)配置和編程可實現(xiàn)快速運算，本文著重對此加以說明。

２ TMS320F2812基本系統(tǒng)配置

２．１ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２時鐘

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的片上外設(shè)按輸入時鐘可分為如下４個組：

(１)ＳＹＳＯＵＴＣＬＫ組：包括ＣＰＵ定時器和ｅＣＡＮ總線，可由ＰＬＬＣＲ寄存器動態(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，除了定時器和ＳＣＩ等少數(shù)需要低速時鐘的地方，其它外設(shè)均可以１５０ＭＨｚ時鐘工作。

圖1

２．２ 存儲空間

圖１所示是ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的內(nèi)部存儲空間映射圖。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２為哈佛（Ｈａｒｖａｒｄ）結(jié)構(gòu)的ＤＳＰ，即在同一個時鐘周期內(nèi)可同時進行一次取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作。在邏輯上有４Ｍ１６位程序空間和４Ｍ１６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４Ｍ１６位的存儲空間，各總線按優(yōu)先級由高到低的順序為：數(shù)據(jù)寫、程序?qū)憽?shù)據(jù)讀、程序讀。其中由ＣＹ７Ｃ１０４１擴展的２５６ｋ１６位ＳＡＲＡＭ位于Ｚｏｎｅ ６（０ｘ１０００００～０ｘ１３ＦＦＦＦ），存取時間不小于１２ｎｓ；１２８ｋ１６位ＦＬＡＳＨ空間（０ｘ３Ｄ８０００～ ０ｘ３Ｆ７ＦＦＦ）取指時間不小于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，可將時間要求比較嚴格的程序（如時延計算子程序、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空間來運行。

2.3 中斷

TMS320F28x系列DSP片上都有非常豐富的外設(shè)，每個片上外設(shè)均可產(chǎn)生1個或多個中斷請求。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個中斷源，包括RESET、NMI、EMUINT、ILLEGAL、12個用戶定義的軟件中斷USER1～USER12和16個可屏蔽中斷（INT1～INT14、RTOSINT和DLOGINT）。所有軟件中斷均屬于非屏蔽中斷。由于CPU沒有足夠的中斷源來管理所有的片上外設(shè)中斷請求，所以在TMS320F28x系列DSP中設(shè)置了一個外設(shè)中斷擴展控制器（PIE）來管理片上外設(shè)和外部引腳引起的中斷請求。

PIE中斷共有96個，被分為12個組，每組內(nèi)有8個片上外設(shè)中斷請求，96個片上外設(shè)中斷請求信號可記為INTx.y(x=1,2,…，12;y=1,2,…,8)。每個組輸出一個中斷請求信號給CPU，即PIE的輸出INTx(x=1,2,…,…12）對應(yīng)CPU中斷輸入的INT1～INT12。TMS320F28x系列DSP的96個可能的PIE中斷源中有45個被TMS320F2812使用，其余的被保留作以后的DSP器件使用。

ADC、定時器、SCI編程等均以中斷方式進行，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(jù)圖1，設(shè)置VMAP=1，MP/MC=0，ENPIE=0，復位向量指向片上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，以開始運行用戶程序。由于在實際應(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

編程是實現(xiàn)系統(tǒng)正常工作和快速運算必不可少的重要環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)配置合理的條件下，用定點芯片實現(xiàn)快速運算的關(guān)鍵用整數(shù)取代浮點數(shù)進行計算處理。用C編譯器時，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行快速運算，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)生重復指令RPT。

3.1 ADC編程

TMS20F2812帶有兩個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的定時器（0.1ms）自動觸發(fā)方式，可同時采樣4個通道，并采用每次轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷方式來紀錄采樣結(jié)果（右移4位）。

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

ADC轉(zhuǎn)換時，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0.1ms定時器，同時等待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(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延數(shù)據(jù)的計算，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（而不是單獨計算濾波器系數(shù)）的目的是為了實現(xiàn)快速濾波而不會過多增加整個測量系統(tǒng)定位計算的時間。

3.3 定位算法的移植

由于定位算法采用自適應(yīng)時延估計法，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。但它是一款定點處理芯片，需要使用定點算法來解決處理量大的問題。因此，對初始數(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算精度）；至于對三角函數(shù)等的運算，可用查表法并利用圖2中的表格來進行快速計算。

C編譯器帶有浮點運算庫，因此可將浮點算法和定點算法的結(jié)果進行比較，對于4路各1024點數(shù)據(jù)處理，用浮點算法實現(xiàn)約需3.6秒，而用定點算法只需1.3秒。

另外，還可對算法進行優(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位實現(xiàn)預指機制的FLASH流水線模式），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，將這段對時間要求比較荷記得的算法移植到內(nèi)存H0中，可以達到最高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

在計算量較大時，通常選用浮點DSP芯片。實際上，為了充分利用定點DSP芯片的片上資源，也能利用本文所介紹的方法選用定點芯片來達到較高的計算速度，這樣可節(jié)省硬件設(shè)計費用和周期，并降低功耗。