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TMS320C2XX开发设计中应注意的问题
摘要：以TMS320F206为例，阐述了TMS320C2XX系列DSP芯片硬软件设计中应注意的问题。着重探讨了硬件设计、流水线冲突、中断资源、闪速存储器的使用等几个重点问题。关键词：TMS320F206 流水线 中断 闪速存储器
高速数字信号处理器是当前信息产业的热点技术之一，采用最先进的DSP无疑会使所开发的产品具有更强的市场竞争力。与普通的MCU相比，DSP芯片放弃了冯·诺依曼结构，采用程序存储器总线和数据存储器总线分开的改进的哈佛结构，独立的程序和数据存储器空间允许同时存取程序指定和数据，因而大大提高了处理速度。在改进的哈佛结构的基础上，DSP芯片广泛采用流水线操作减少指令执行时间，从而进一步增强了处理器的数据处理能力，非常适合于实时数字信号处理，但同时也给设计者带来了高频干扰和流水线冲突等诸多问题。
TMS320C2XX系列DSP芯片结构资源相似，开发工具相同，因而其开发设计具有很高的可比性。TMS320F206（以下简称F206）是TI公司TMS320C2XX系列的一款高性价比定点DSP，目前已广泛应用于图形图像处理、语音处理、通信及仪器仪表等领域。由于DSP的开发、应用方式与普通的MCU差异很大，因此探讨其开发设计很有必要。笔者在设计以DSP为核心的产品开发F206时的几点心得，希望对正在和即将进行TMS320C2XX列系DSP开发的同仁们有所帮助。
1 TMS320F206简介
F206是100引脚的TQFP（正方扁平）封装，它主要具有如下特点：
（1）处理能力强。若时钟采用20MHz晶振，则指令周期50ns，运算能力高达20MIPS。DSP芯片采用静态CMOS集成工艺制作，采用四级流水线操作，其先进的哈佛结构允许对数据与指令的操作同时进行，因而大大提高了数据的吞吐率和指令的执行速度，特殊的DSP指令系统提供了功能强大的数字信号处理操作。
（2）片内具有32K×16位的闪速存储器和4.5K×16位的RAM。利用闪速存储器存储程序，不令降低了成本、减小了体积，同时系统软件升级也非常方便；大容量的片内RAM可满足大多数设计要求，无需扩展片外存储器，既降低了成本又使硬件设计十分简洁。
（3）地址映射分为4个可独立寻址的空间：
·64K字程序存储器，包含程序执行所用的指令和数据。
·64K字本地数据存储器，保存指令所用的数据。
·32K字全局数据存储器，保存与其它处理器共用的数据，或者用作额外数据空间。本地数据存储器的上端32K字（8000h-FFFFH）地址空间可用作全局数据存储器。
·64K字的输入/输出（I/O）空间，与外部外围接口，并且包含片内外围寄存器。
（4）资源丰富。F206具有1个同步串行口SSP、1个异步串行口ASP、1个软件可编程定时器（TIMER）以及大量中断资源和独特的JTAG接口等。由于与目标系统之间采用了JTAG逻辑扫描电路接口（基于IEEE1149.1标准），在仿真时不占用硬件资源，且可随时终止仿真察看CPU内部及外设的工作情况，使得程序的调试和查错十分方便。通过JTAG端口可向片内Flash串行下载程序，无需专门的编程器（XDS510仿真器即具有编程功能），进一步减少了开发成本，便于开发设计和产品的软件升级。
2 硬件设计与调试
2.1 硬件设计时应注意的问题
F206硬件设计时，应重点注意以下几点：
（1）时钟电路。DSP时钟可由外部提供，也可由板上的振荡器提供。但一般DSP系统中经常使用外部时钟输入，因为使用外部时钟时，时钟的精度高、稳定性好、使用方便。由于DSP工作是由时钟为基准，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。因此，若采用外部时钟，选择晶振时应对其稳定性、毛刺做全面的检验，以便DSP系统可靠地工作。
（2）复位电路。应同时设计上电复位电路和人工复位电路，在系统运行中出现故障时可方便地人工复位。对于复位电路，一方面应确保复位低电平时间足够长，保证DSP可靠复位；另一方面应保证稳定性良好，防止DSP误复位。
（3）在DSP电路中，对所有的输入信号必须有明确的处理，不能悬浮或置之不理。尤其要注意的是：若设计中没有到不可屏蔽硬件中断NMI，则硬件设计时应确保将其相应引脚拉高，否则程序运行时会出现不可预料的结果。若设计中用到NMI，也应在程序正常执行阶段置其相应引脚为高电平。
（4）模拟电路与数字电路应分开布置，独立布线后应单点连接电源和地，避免相互干扰。
（5）DSP、片外程序存储器和数据存储器接入电源前，应加滤波电容并使其尽量靠近芯片电源引脚，以滤除电源噪声。另外，在DSP与片外程序存储器和数字存储器等关键部分周围建议布上地网，以减少外界干扰。
（6）片外程序存储器和数据存储器应尽量靠近DSP芯片放置，同时要合理布局，使数据线和地址线长短基本保持一致。对于DSP系统而言，应选择存取速率与DSP相仿的外部存储器，不然DSP的高速处理能力将不能充分发挥。
DSP指令周期为ns级，因而DSP硬件系统中最易出现的问题是高频干扰，因此在制作DSP硬件系统的印制电路板（PCB）时，应特别注意对地址线和数据线等重要信号线的布线要做到正确合理。布线时尽量使高频线短而粗，且远离易受干扰的信号线，如模拟信号线等。
当DSP周围电路较复杂时，建议将DSP及其时钟电路、复位电路、片外程序存储器、数据存储器制作成最小系统，以减少干扰、笔者曾在这个问题上花费大量时间和精力，由于干扰严重，DSP根本无法正常工作。后将DSP及其时钟电路、复位电路、片外程序存储器和数据存储器制成最小系统，主要信号线通过金手指与其它相应电路相连，结果DSP系统运行正常。
2.2 硬件调试时应注意的问题
在硬件调试前，应先对电路板进行细致的检查，观察有无短路或断路情况（由于DSP的PCB板布线一般较密、较细，这种情况发生概率还是比较高的）。加电后，应用手感觉是否有些芯片特别热。如果发现有些芯片烫得厉害，需立即掉电重新检查电路。排除故障后，接着就应检查晶体是否振荡，复位是否正确可靠。然后用示波器检查DSP的CLK-OUT1和CLK-OUT2引脚的信号是否正常，若正常则表明DSP本身工作基本正常。
2.2.1 保证电源的稳定可靠
在DSP硬件系统调试前，应确保给实验板供电的电源有良好的恒压恒流特性。尤其要注意的是，DSP的入口电压应保持在5.0±0.05V。电压过低，则通过JTAG接口向Flash写入程序时，会出现错误提示；电压过高，则会损坏DSP芯片。由于电源电压过高，笔者曾有过一个上午烧坏3块DSP的惨痛经历。另外，由于在调试时要频繁对实验板接电和断电，若电源质量不好，则很可能在突然上电时因电压陡升而烧坏DSP芯片。这样既会造成经济损失，又将影响开发进度。因此，在调试前应高度重视电源的选择，同时在调试过程中应经常检查电源是否正常。
2.2.2 利用仿真软件排除硬件故障
在完成地电路板的检查后，就可通过仿真软件来调试程序。由于仿真时，程序代码下载到目标系统中的片外程序存储器，因而通过仿真软件可以比较容易地检查出一些硬件故障。
在上电后，若仿真软件调试窗口始终无法调入程序，则有两种可能：（1）DSP芯片引脚存在断路或短路现象；（2）DSP芯片损坏。倘若是第一次利用仿真器软件调试程序，此时应对实验板断电，仔细检查DSP芯片各引脚的焊接情况。如果软件调试窗口曾正确调入程序，则可能是DSP芯片损坏。此时，可通过检测实验板的整板阻抗进一步判断DSP芯片是否受损。若整板阻抗急剧下降，可将给DSP芯片供电的电源线割断，检测DSP芯片的电阻。正常的DSP芯片的电阻为MΩ级，若被测芯片电阻明显低于该值，则可断定DSP芯片已被烧坏。
如果软件调试窗口可调入程序，但调入的程序局部出错，如对片外程序存储器或数据存储器操作的代码变成了.word xxxx，此时可能是片外程序存储器或数据存储器出现故障。应仔细检查器是否存在短路或虚焊，若不存在则应进一步判断存储器是否受损。本人曾遇到上述现象，后经仔细检查，发现存储器有引脚虚焊。
3 软件设计与调试
哈佛结构、流水线操作现加上集成电路的优化设计，使得DSP芯片的指令周期为ns级，快速的指令周期可使DSP芯片能够实时实现许多应用。但在实际的程序设计中，DSP芯片的这些特点却给程序设计者带来了许多意想不到的麻烦。下面，笔者将根据自身的实际经验介绍编程与调试时应注意的一些问题。
3.1 流水线冲突
F206采用四级流水线操作，指令流水线由一系列总线操作组成，它具有4个独立的操作阶段：取指、译码、取操作数和执行。由于4个操作阶段是独立的，因此这些操作可以交叠地进行；在任意的指令周期内，1到4个不同的指令均可有效，各条指令均处于一个同的完成阶段。因此，流水线冲突是不可避免的。通常情况下，发生流水线冲突时，编程者可通过调整程序语句的次序或在相应位置插入一定数量的NOP来解决。
3.2 设置等待状态寄存器
对高速的DSP而言，它的读操作从地址稳定到数据有效仅需几十ns的时间，而DSP外设的速度则参差不齐。为了解决高速DSP与低速外设在速度上的冲突，在高速的DSP与存储器等外设的接口之间，等待状态的设计是一个关键的问题。若DSP不能与外设很好配合，则会导致程序执行结果出错。F206内置一个软件可编程等待状态寄存器（WSGR），通过设置WSGR，可分别为片外存储器和I/O端口设置CPU的等待时间。
在程序调试过程中，若程序随机运行，或仿真软件调试窗口出现“Time out waiting for device”红色告警字样时，而程序流程没有问题，则可是DSP与外部慢速器件配件不正常，此时应重新设置等待状态寄存器，增加CPU等待外设的时间。由于例程[2]中WSGR值均为0000h，容易产生误导，使初学者误以为在任何情况下WSGR值均为0000h。笔者在调试程序时，曾遇到这个问题，后来不断调整WSGR的设置，终于使程序能够正常执行。在具体应用中，程序设计者应根据实际用到的片外资源设置WSGR的值，切忌盲从。
3.3 保留区域
编程时应注意设计中程序、数据存储器配置的地址映射，切记不能向任何保留地址写数据，否则将造成处理器的不可预测操作。F206程序存储器地址FE00h～FEFFh(片外)为保留地址，数据存储器地址0000h～0005Fh、0080h～01FFH、0200h～02FFh(CNF=1时)和0400h～07FFh均为保留地址。
3.4 中断资源
F206中断资源丰富，其0000h～003fh地址单元对应中断向量空间，每个中断矢量均为一条转移指令，该指令要求4个8bit字，因而中断向量空间可容纳32个中断矢量。对于程序设计中没有用到的向量空间，应填零以防意外。F206不支持中断嵌套，当它响应了某个硬件中断时，会自动将其中断标志位和中断允许位INTM置1（INTM为1，禁止所有中断），但在中断服务程序结束后不会自动将二者清零。因此，在中断服务程序结束前，应先将这两个标志位清零，否则DSP将无法正常响应中断。注意，DSP中向标志位写入1才能对标志位清零，并且应先清除中断标志位，然后再对中断允许位INTM清零。
若某一中断客观存在，而程序中又无相应的中断服务程序，则会导致程序紊乱。如在中断屏蔽寄存器（IMR）中将异步串行口的传送/接收中断打开，此时若异步串行口控制寄存器（ASPCR）指传送或接收中断屏蔽，此时仍会产生该中断，只是写入异步数据发送和接收寄存器（ADTR）或读ADTR的值为零，因而编程时还要对ADTR进行读或写处理，而不能只是简单地清除其中断标志位和中断允许位后返回。笔者曾因这个问题耗时多日，程序调试总不能得到正确的结果，后编写入相应的中断服务程序后，再进行调试终于得到了正确结果。(范文先生网www.fwsir.com收集整理)
NMI中断可用作软件复位，但因为中断矢量仅仅是一条转移指令，因而它既不中止存储器操作也不初始化状态位。如果要求DSP重新对外围器件设置，则利用NMI软件复位不能满足要求。根据实际，笔者设计了一个利用NMI中断硬件复位DSP的电路，如图1所示。
在NMI中断服务程序中，DSP给PO6口一个正永冲即可使DSP复位，但应注意新增电路中的RC时间常数应小于DSP原有复位电路的RC时间常数，以免影响DSP正常复位。
3.5 数据页DP
在所有程序中必须初始化DP。初始化DP非常重要，复位不能初始化DP，并且上电时，DP是不确定的。没有初始化DP的程序就不能正确执行。另外，在编程时应注意：①DSP对片内存储区的访问比片外存储区要快，因此应将经常使用的数据分配至片内存储空间，以提高数据处理速度。②尽可能采用直接寻址的寻址方式，这样可在提供大数据访问能力的同时，提高指令速度。这种寻址方式具有128字节的寻址能力，但寻址范围是指定DP下的128字。当程序复杂特别是在中断存在的情况下，改变DP的值很容量造成程序的混乱。基于此考虑一般将DP的值固定不变，尽可能合理地在各功能模块间分配这128个高效且使用方便的存储单元。应特别注意的是，DP的值置零，在操作完成后再将DP的值还原，这是因为IFR、IMR的地址都是DP为零的相对地址。另外，在中断程序入口如果使用直接寻址方式保存状态寄存器的值，那么在中断返回之间装载所保存的值时，也应先将DP的值设成零，否则程序将无法正常运行。
3.6 内置闪速存储器（Flash）
F206的一个显著优势是具备32K×16位的片内闪速存储器，它具有可擦除、可编程和非易失电源等特点。在复位期间，通过将MP/MC置为低电平可选择闪存。利用JTAG接口向目标系统下载程序包括：Flash的清零（clear,所有位清零）、擦除（erase，所有位置1）及编程。其片内Flash，由两块相对独立的16KB Flash组成，因而每次清零、擦除需对两块16KB Flash分别进行。F206运算速度有20、28.5和40MIPS，但程序代码成功烧录进片Flash的前提条件是其工作于20MIPS，否则程序无法烧寻进DSP。另外应将NMI中断相应引脚拉高，否则由JTAG将程序代码烧录进Flash时会出现错误提示，使烧录无法完成。
笔者在调试程序时曾遇到这样的情况，程序在仿真时可以正常运行，烧录到Flash后却无法运行了。原因是上电时DSP外围芯片复位时间长于DSP的启动时间，后来尝试着在程序初始化之前插入一段延时（约为几十ms），重新烧录后程序执行正常。
DSP技术的发展越来越成熟，DSP的应用也日益广泛。了解和掌握DSP技术，并应用DSP技术开发新一代高科技产品十分必要。本文介绍的DSP开发中应注意的几个问题，可以大大缩短开发时间，仅供读者参考。
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