DSP原理与应用第5章.ppt

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1、第5章TMS320C54x的引脚功能、流水线 结构和外部总结结构,5.1 TMS320C54x的引脚和信号说明5.2 流水线结构5.3 外部总线结构,5.1 TMS320C54x的引脚和信号说明TMS320C54x DSP基本上都采用超薄的塑料或陶瓷四方扁平封装(TQFP)，也有其他封装形式。图5-1所示是TMS320C541的引脚图。本节重点描述TMS320C541芯片的引脚功能。,图5-1 TMS320C541的引脚图,1地址、数据总线及其控制信号A15A0：16位地址总线，用于对片外数据、程序存储器及I/O进行寻址。D15D0：16位数据总线，在CPU内核、片外数据、程序存储器或I/O器

2、件之间传送数据。,CNT：I/O电平选择引脚。当CNT为低电平时，为5 V工作状态，所有输入和输出电平均与TTL电平兼容；当CNT为高电平时，为3 V工作状态，I/O接口电平与CMOS电平兼容。,3多处理器信号：控制分支转移的输入信号。XF：外部标志输出端(软件可控信号)，可用于指示DSP状态和同其他CPU握手。,4振荡器及定时信号CLKOUT、TOUT：主时钟输出信号、定时器输出信号。CLKMD1CLKMD3：3个外部/内部时钟工作方式输入信号，可以预置DSP的时钟比。X2/CLKIN、X1：晶振到内部振荡器的输入引脚、内部振荡器到外部晶振的输出引脚。,6串口信号CLKR0、CLKR1：接收

3、时钟。CLKX0、CLKX1：发送时钟。DR0、DR1：串行口数据接收端。DX0、DX1：串行口数据发送端。FSR0、FSR1：用于接收输入的帧同步脉冲。FSX0、FSX1：用于发送的帧同步脉冲。,7电源信号CVDD、DVDD、VSS：CPU内核电源电压、I/O引脚的电源电压、器件地。8IEEE 1149.1测试引脚TCK：测试时钟。TMS：测试方式选择端。：测试复位信号。TDI、TDO：测试数据输入/输出端。,EMU0、EMU1/：仿真器中断0引脚、仿真器中断1引脚/关断所有的输出端。以上各类信号中，凡是输出信号，如果设计系统时不用，引脚可空着；凡是输入信号，如果不用，则会受外界干扰，电平下

4、拉，引起非可屏蔽中断，因此，要将信号通过电阻(10 k)接+5V。,5.2 流水线结构1流水线概述指令流水线包括执行指令时发生的一系列总线操作。TMS320C54x的流水线有6个独立的阶段：程序预取指、取指、指令译码、寻址、读和执行指令。图5-2说明了对于单字、单周期指令，在没有等待状态情况下6级流水线的操作。,图5-2 6级流水线的操作,这6级流水线的功能如下：预取指(Prefetch)：将所要取指令字的地址放在程序地址总线(PAB)上。取指(Fetch)：从程序总线(PB)上取指令字，并装入指令寄存器(IR)。译码(Decode)：对IR中的内容进行译码，产生执行指令所需要的一系列控制信号

5、。,寻址(Access)：数据地址产生单元(DAGEN)在数据地址总线(DAB)上输出读操作数的地址。如果还需要第二个操作数，则在另一个数据地址总线(CAB)上也装入适当的地址，同时更新间接寻址方式中的辅助寄存器和堆栈指针(SP)。读(Read)：从数据总线(DB)和控制总线(CB)上读操作数。执行(Execute)：向数据总线(EB)上写数据。,6条单字、单周期指令的流水线操作如图5-3所示。,图5-3 6条指令的流水线的操作,流水线在程序产生调用、跳转和中断时会产生清除，通过延迟操作可将浪费掉的周期利用起来。延迟操作指令后面只有2个字的空隙，因此，不能在此空隙中安排任何一类分支转移指令或重

6、复指令，在CALLD或RETD的空隙中也不能安排PUSH或POP指令。在调试延迟型指令时，直观性稍差一些，因此希望在大多数情况下还是采用非延迟型指令。,2双寻址存储器和流水线下列情况下访问DARAM时不会带来时序上的冲突：在单周期内允许同时访问DARAM的不同块。当流水线中的一条指令访问某一存储器块时，允许流水线中处于同一级的另一条指令访问另一个存储器块。允许处于流水线不同级上的两条指令同时访问同一个存储器块。,在单周期内允许CPU对DARAM访问两次，第一次访问是在前半周期，再次访问是在后半周期。访问DARAM块的情况如表5-1所示。,由于两种类型的访问都要按时进行，而每半个周期仅能执行一次

7、访问，因此有可能会发生时序上的冲突。例如，同时从同一存储器块中取指和取操作数(都在前半周期)，或者同时对同一存储器块进行写操作和读(第二个数)操作(都在后半周期)，都会造成时序上的冲突。CPU可以通过重新排列访问次序，或者将写操作延迟一个周期，又或者通过插入一个空周期的办法，自动地消除这些冲突。,3单寻址存储器和流水线TMS320C54x片内有两种形式的单寻址存储器：单寻址读/写存储器(SARAM)。单寻址只读存储器(ROM或DROM)。这两种单寻址存储器也是分块的，CPU可以在单个周期内对每个存储器块访问一次。,4流水线延时TMS320C54x流水线允许CPU多条指令同时访问CPU资源。由于

8、CPU的资源是有限的，因此当一个CPU资源同时被一个以上流水线访问时，就会发生冲突。有些冲突可以由CPU通过延迟寻址的方法自动消除，但有些冲突是不能消除的，需要由程序重新安排指令顺序，或者插入NOP(空操作)指令加以解决。,对于下列存储器映像寄存器，如果在流水线中同时对它们进行寻址，就有可能发生不能消除的冲突：辅助寄存器(AR0AR7)。重复块长度寄存器(BK)。堆栈指针(SP)。暂存器(T)。,处理器工作方式状态寄存器(PMST)。状态寄存器(ST0和ST1)。块重复计数器(BRC)。存储器映像累加器(AG、AH、AL、BG、BH和BL)。但是，如果插入合适的延时周期，某些指令也可以无冲突地

9、访问这些寄存器。详细内容可查阅TMS320C54x DSP Reference SetCPU and Peripherals一书。,5.3 外部总线结构5.3.1 外部总线接口信号TMS320C54x的内部总线有PB、CB、DB和EB及PAB、CAB、DAB和EAB各1条。片内总线采用流水线结构，可以允许CPU同时寻址这些总线。TMS320C54x DSP在片内可实现一个周期内6次操作。,TMS320C54x的外部总线由数据总线(D0D15)、地址总线(A0A15)和控制总线(11条)组成(参见5.1节)。其中，TMS320C548、TMS320C549具有23条地址总线。外部总线对外部存储器

10、的访问最快只能达到每周期进行一次寻址。,单独的外部空间选择引脚、和用于选择不同存储空间的外部存储器；用于访问外部程序或数据存储器，用于访问I/O设备；读/写信号(R/)则控制数据传送的方向。,使用外部数据准备输入信号(READY)与片内软件可编程等待状态发生器，可以使处理器与各种速度的存储器以及I/O设备接口。当与慢速器件通信时，CPU处于等待状态，直到慢速器件完成了它的操作并发出READY信号后才继续运行。外部总线接口的保持方式(HOLD和HOLDA)允许外部设备占用TMS320C54x的外部总线，这样，外部设备就可以达到控制TMS320C54x外部资源的目的。,当CPU访问片内存储器时，外

11、部数据总线置高阻状态，而地址总线以及存储器选择信号、和均保持先前的状态。此外，、R/、以及信号均保持在无效状态。如果处理器工作方式状态寄存器(PMST)中的地址可见位(AVIS)置1，那么CPU执行指令时的内部程序存储器的地址就出现在外部地址总线上，同时信号有效。,5.3.2 外部总线控制性能1等待状态发生器当希望TMS320C54x与外部慢速器件相互接口时，必须要有等待状态。在CPU读/写外部存储器或端口时，通过增加等待状态，可以加长CPU等待响应的时间。具体地说，对每个等待状态，CPU等待一个附加的周期(一个CLKOUT周期)。,TMS320C54x有以下两种可选择的等待状态：软件可编程等

12、待状态发生器。利用它能够产生07个等待状态。READY信号。利用该信号能够由外部控制产生任何数量的等待状态。,1)软件可编程等待状态发生器软件可编程等待状态发生器最多能够将外部总线延迟7个周期，不需要附加任何外部硬件设备。软件可编程等待状态发生器的工作受到软件等待状态寄存器(SWWSR)的控制，它是一个16位的存储器映像寄存器，在数据空间的地址为0028H。,将程序空间和数据空间分成两个32K字块，I/O空间由一个64K字块组成。这5个字块空间在SWWSR中都相应地有一个3位字段，用来定义各个空间插入等待状态的数目。SWWSR的结构如图5-4所示。,图5-4 SWWSR的结构,上述SWWSR的

13、各3位字段规定的插入等待状态的最小数为0(不插入等待周期)，最大数为7(111B)。其中：Low Prog：定义对0000H7FFFH的程序空间进行访问时插入的等待状态数。Hi Prog：定义对8000HFFFFH的程序空间进行访问时插入的等待状态数。,Low Data：定义对0000H7FFFH的数据空间进行访问时插入的等待状态数。Hi Data：定义对8000HFFFFH的数据空间进行访问时插入的等待状态数。I/O：定义对0000HFFFFH的I/O空间进行访问时插入的等待状态数。,也就是说，通过软件为以上5个存储空间分别插入07个等待状态。例如，利用指令：STM#2009H，SWWSR；

14、0 010 000 000 001 001就可以为程序的高32K字和低32K字空间分别插入1个等待状态，为I/O空间插入2个等待状态。,复位时，SWWSR=7FFFH，所有的空间都被插入7个等待状态，这一点确保处理器初始化期间CPU能够与外部慢速器件正常通信；复位后，再根据实际情况，用STM指令进行修改。当插入27个等待状态，且执行到最后一个等待状态时，信号将变成低电平。利用这一特点，可以再附加插入硬件等待状态。,2)利用READY信号产生等待状态TMS320C54x的系统多种多样，仅有软件等待状态是不够的。如果外部器件要求插入7个以上的等待周期，则可以利用硬件READY线来接口。READY信

15、号由外部慢速设备驱动控制，对DSP来说是输入信号。,当READY信号为低电平时，表明外部设备尚未准备好，TMS320C54x将等待一个CLKOUT周期，并再次校验READY信号；在READY信号变为高电平之前，TMS320C54x将不能连续运行，一直处于等待状态。因此，如果不用READY信号，应在外部访问期间将其上拉到高电平。,硬件等待状态是在27个软件等待状态的基础上插入的，它是利用和READY信号以及外部电路形成的。当只插入27个软件等待状态时，将和READY引脚相连；当需要同时插入硬件和软件等待状态时，和外部的READY信号通过一个“或”门加到TMS320C54x的READY输入端。,2

16、分区转换逻辑可编程分区转换逻辑允许TMS320C54x在外部存储器分区之间切换时，不需要外部为存储器插入等待状态。当跨越程序或数据空间内部存储器分区界线时，可编程分区转换逻辑会自动地插入一个周期，这个额外周期的作用是防止总线冲突，保证在其他设备驱动总线之前，存储器设备可以结束对总线的占用。存储器块的大小在分区转换控制寄存器(BSCR)中定义。,分区转换逻辑由分区转换控制寄存器(BSCR)定义，它是一个16位的存储器映像寄存器，在数据空间的地址为0029H。BSCR的结构如图5-5所示。,图5-5 BSCR的结构,表5-2列出了TMS320C54x分区转换控制寄存器(BSCR)各字段的功能。,5

17、.3.3 外部总线接口时序图了解存储器和I/O寻址操作时各信号之间的时序关系，对于正确用好外部总线接口，组成所需的DSP系统是很重要的。机器周期CLKOUT是DSP的基本时间计量单位，它由DSP的主频决定。如：TMS320C541的主频为40MHz，一个机器周期就是25ns(频率的倒数)。一个CLKOUT周期定义为CLKOUT信号的一个下降沿到其下一个下降沿之间的时间。,存储器读操作只需要一个机器周期，存储器写操作或者I/O的读和写操作都是两个机器周期。也就是说，某些零等待状态的外部总线寻址都是在整数个CLKOUT周期内完成的，但如果存储器读操作之后紧跟着一次存储器写操作，或者反过来，那么存储

18、器读就要多花半个机器周期。下面介绍外部总线接口零等待状态寻址的时序图。,1存储器寻址时序图图5-6是存储器读读写操作时序图。在此图中，虽然外部存储器写操作要花两个机器周期，但每次在同一分区中来回读(保持低电平)时都是单周期寻址。,图5-6 存储器读读写操作时序图,图5-7给出了存储器写写读操作时序图。注意，图中由低变高后，写操作的地址线和数据线继续保持约一个半周期有效。每次存储器写操作都要花两个机器周期，而紧跟其后的读操作也要两个机器周期。,图5-7 存储器写写读操作时序图,2I/O寻址定时图对I/O设备进行读/写操作要持续两个机器周期，在此期间，地址线变化一般都发生在CLKOUT的下降沿(若

19、I/O寻址前是一次存储器寻址，则地址变化发生在上升沿)。低电平有效是从CLKOUT的一个上升沿到下一个上升沿，持续一个机器周期。图5-8是并行I/O口读写读操作时序图，图中I/O口的读/写操作都需要两个机器周期。,图5-8 并行I/O口读写读操作时序图,3外部总线复位时序图图5-9是TMS320C54x外部总线复位时序图。当TMS320C54x进行复位和对硬件进行初始化时，复位输入信号至少必须保持两个CLKOUT周期的低电平。复位响应时，CPU终止执行当前的程序，并强迫程序计数器PC置为FF80H，且以FF80H驱动地址总线。复位后，外部各总线的状态如图5-9所示。,图5-9 外部总线复位时序

20、图,4保持方式定时图TMS320C54x的两个控制信号和允许外部设备控制处理器片外资源，以便进行直接数据传输(DMA)操作。DMA可以承担数据传输任务而无需运算控制单元参与其中，从而提高了程序执行效率。,TMS320C54x进入保持状态后有两种工作方式，方式的确定由ST1中的HM位决定。(1)正常保持方式。当为低电平时，处理器停止执行程序。(2)并行DMA操作方式。处理器可以通过片内存储器(ROM或RAM)继续执行程序。,当HM=1时，TMS320C54x工作在正常保持方式；当HM=0时，工作在并行DMA操作方式。在并行DMA操作方式下，只有当需要从外部存储器执行程序，或者从外部存储器寻址操作

21、数时，TMS320C54x才进入保持状态。因此，只要CPU不从外部存储器执行程序或取操作数，就可以在片外进入保持状态的同时使片内继续执行程序，这样的系统其工作效率是很高的。,图5-10是TMS320C54x在HM=0时的保持状态的时序图。由图可见，信号低电平有效后，至少要经过3个机器周期，外部总线和控制信号才能变成高阻状态。由于是一个外部非同步输入信号，片内不对它进行锁存，因此外部设备必须使保持低电平。,当外部设备从TMS320C54x接收到一个信号后，可以确认TMS320C54x已进入保持状态。信号变成高电平后，信号会随着信号的撤消而撤消。信号撤消后的两个或者三个机器周期内，片外地址总线、数据总线和控制信号脱离高阻状态，进入正常工作状态。,图5-10 保持方式时序图(HM=0),