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北京邮电人学硕十研究生论文 t d s c d m a 终端测试仪表基带下行模块的d s p 实现 摘要 作为由中国提出，并已经成为国际第三代移动通信三大主流标准之一 的无线传输技术，t d s c d m a 在2 0 0 5 年、2 0 0 6 年两年间取得了飞速的发 展，受到了包括设备制造商、网络运营商和业务提供商在内各界人士的广 泛关注。可以预见，在2 0 0 8 年奥运会之前，t d s c d m a 网络将在中国实 现大规模的商业部署和运营。因此，目前对该技术的研究和产品开发成为 了无线通信领域的一大热点。 本文主要介绍了作者在所参与的“t d s c d m a 终端测试仪表没计与 现实”项目中的工作和取得的主要成果。在该项目中，作者全程参与了项 目预研、需求分析、系统设计、协议软件开发及测试等阶段的工作，并主 要负责基带下行模块的设计与开发工作。论文的主要内容包括： 介绍第三代移动通信系统的三种技术标准，并着重介绍其中的 t d s c d m a 技术，描述t d s c d m a 终端测试仪表开发项目的背 景和现实意义。 介绍作者在项目中使用的硬件平台t it m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 和 开发调试环境c c s2 ，以及作为项目研发依据的相关3 g p p 技术规 范。 从硬件平台和软件体系架构两个角度出发，介绍测试仪表总体架构 设计思路。 结合项目开发的成果，介绍t d s c d m a 终端测试仪表基带下行模 块的研发工作，主要内容是p c c p c h 、s c c p c h 、d p c h 、p i c h 、 f p a c h 、d w p c h 等下行物理信道的设计和实现过程。 道 关键词；t d s c d m a 、终端测试仪表、基带信号处理、下行、物理信 北京邮电人学硕十研究生论文 d s p d e v e l o p m e n to nb a s e - b a n dd o w n l i n km o d u l eo f t d s c d m a1 r e r m i n a l r e s ts e t a b s t r a c t a so n eo ft h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t d s c d m ah a so b t a i n e d g r e a t a c h i e v e m e n t si ns t a n d a r d i z a t i o na n d e q u i p m e n tc e r t i f i c a t i o ni n2 0 0 5 2 0 0 6a n di sp a i dm o r ea t t e n t i o nb yt h e i n d u s t r y i n s i d e r sf r o me q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r s ，n e t w o r ko r e r a t o r sa n d w i r e l e s si n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r s i ti sw i d e l ya n t i c i p a t e dt h a tc o m m e r c i a l t d s c d m an e t w o r k sw i l lb ed e p l o y e da n dp u ti n t oo p e r a t i o nb e f o r e2 0 0 8 o l y m p i cg a m e s a sar e s u l t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft d s c d m a t e c h n o l o g yh a v eb e c o m eo n et h eh o n e s ts p o t si nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na r e a t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so na u t h o r sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r ki n “t d - s c d m at e r m i n a lt e s ts e t ”i nt h i sp r o j e c t t h ea u t h o rh a sp a r t i c i p a t e di n p r o j e c ti n v e s t i g a t i o n ，s p e c i f i c a t i o na n dr e q u i r e m e n t ，s y s t e md e s i g n ，s o f t w a r e d e v e l o p m e n ta n dt e s t ，a n di sd e d i c a t e d l y r e s p o n s i b l ef o rt h eb a s e b a n d d o w n l i n km o d u l ed e s i g n t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sl i s ta sf o l l o w s ： i n t r o d u c et h r e ek i n d so f3 ”g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，a m o n gw h i c ht d s c d m at e c h n o l o g yi sf o c u s e d a n d t h e np o i n to u tt h ep r o j a c tr e q u i r e m e n ta n ds i g n i f i c a n c eo fo u rw o r k i n t r o d u c et it m $ 3 2 0 c 6 0 0 0d s p - c c s2 a n dr e l a t i v e3 g p pt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n i n t r o d u c et h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h e t d s c d m at e r m i n a lt e s ts e t b a s e d0 1 1t h er e a lp r o d u c t d e s c r i b eh o wt h ea u t h o rd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e dt h eb a s e b a n dd o w n l i n km o d u l eo ft h et e s ts e tw h i c h c o n s i s t so fp c c p c h ，s - c c p c h ，d p c h ，p i c h ，f p a c ha n dd w p c h 。k e yw o r d s ：t d s c d m a ，t e r m i n a lt e s ts e t ，b a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n g ， d o w n l i n k ，p h y s i c a lc h a n n e l 北京邮电人学硕十研究生论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 重嘉日期_ 硪澎鲨叁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：猃2 9 趔叠 嗍：蜉p 降 北京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 第一章绪论 商用移动通信从8 0 年代初开始飞速发展，目前正处于第二代移动通信的成熟发展 和向第三代( 3 g ) 移动通信的逐步演进阶段。 1 1 第三代( 3 g ) 无线通信系统概述 虽然l t u 早期的目标是发展一种全球统一的第三代移动通信的标准，但是在各种 地缘政治，厂商利益的驱动下，第三代移动通信标准实际上分裂成为三个标准：主要 是由欧洲、日本和中国支持的w c d m a 标准，由美国主导的c d m a 2 0 0 0 标准，和由 中国主导的t d - s c d m a 标准。 w c d m a 标准主要是面向原有的g s m 网络的升级标准。w c d m a 在物理层 ( c d m a ) 与g s m ( m a ) 完全不同，但是在核心网络上有很多相似之处，因此 w c d m a 的主要支持者也来自现有的g s m 网络的覆盖地区：欧洲和中国。另外在第 二代移动通信中吃了封闭系统标准( p d c ) 苦头的日本也大力支持这一技术。 w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 采用的基本技术和关键技术，如功率控制、软切换等都 是很类似的，性能上没有太大差别，这两种c d m a 技术最主要的区别在于码片速率、 基站同步方式以及导频信道方式上的不同。w c d m a 的直接序列方式的码片速率为 3 8 4 m c p s ，基站同步方式为w c d m a 的同步异步方式。 c d m a 2 0 0 0 标准主要是面向原有的i s 一9 5 c d m a 标准的升级标准。c d m a 2 0 0 0 是 以美国高通公司为主提出的，主要的支持者也是美国和韩国等现有i s 9 5 c d m a 网络 覆盖的地区。 c d m a 2 0 0 0 是基于窄带i s - 9 5c d m a 技术的宽带c d m a 技术，其主要特征包括： 由于c d m a 2 0 0 0 业务需使用目前的p c s 频段，因而特别强调与i s - 9 5 的后向兼容性， 其码片速率必须是窄带系统的1 倍或3 倍，即1 2 2 8 8 m c p s 或3 6 8 6 4 m c p s ；c d m a 2 0 0 0 仍沿用i s - 9 5 系统所采用的基站同步方式，即采用g p s 使基站之间严格同步。 以上两种技术都属于频分双i ( f d d ) 模式，此外还有c d m a t d d 技术：目前包括 t d - s c d m a 和u t r at d d ，其中t d s c d m a 是我国提出的技术。t d s c d m a 的最 大优势是可以支持上下行不对称业务，它的三个主要特征包括：保证扩频码的正交特 性以及去除信道间干扰而采用的同步c d m a 技术s c d m a ( s y n c h r o n o u sc d m a ) ： 由多天线阵列、相干收发信机以及先进的数字信号处理技术组成的智能天线技术 ( s m a r ta n t e n n a ) ；用数字信号处理软件实现无线功能的软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 。 表1 1 中列出了w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，和t d s c d m a 三种技术标准的主要技 l - 北京邮屯大学硬士研究生论文 第一章绪论 术参数。 表1 - 1 三种3 g 标准的技术参数 豳鬻疆鞴鬻獭燃w c d m a 鬻濒燃j c d m a 2 0 0 0 麓黧燃i t d - s c d m a 黧黼 单载波直接序列多载波和直接序列 扩频类型时分同步c d m a 扩频c d m a扩频两种c d m a 1 2 5 的1 , 3 ，6 , 9 ，l l 最小带宽( m h z )5 1 6 倍 码片速率( m e p s ) 3 8 4 1 2 2 8 8 3 6 8 6 4 1 2 8 帧长( m s )1 02 0 1 0 功率控制速度 1 5 0 08 1 4 0 0 ( h z )， 语音编码器a m r可变速率声码器a m r 上行：b p s k上行；b p s k上行：8 p s k 调制方式 下行：q p s k下行：q p s k下行：q p s k 双工方式 f d d 厂i d df d dt d d 基站间同步异步( 不需g p s )同步( 需g p s )同步( 主从同步) 以上兰种技术各有千秋，由于市场和地缘政治的原因，在全球范围内的发展情况 各不相同。目前，在欧洲，w c d m a 是确定无疑的第三代移动通信系统标准。一些欧 洲国家，比如德国和英国，已经高价拍卖了w c d m a 的运营执照，一些国家的执照价 格高达3 0 0 4 0 0 亿美元。同本也基本确定采用w c d m a 作为下一代移动通信的标准。 2 0 0 1 年l o 月开始，在日本的东京地区和欧洲的部分国家，开始了商用w c d m a 的试 运营。c d m a 2 0 0 0 目前已经比较成熟，但是由于受市场的影响，没有投入大规模的商 用。而t d s c d m a 方面，2 0 0 5 年罗马尼亚建立t d - s c d m a 网络，这标志着t d s c d m a 正式投入商用；在中国，t d s c d m a 商用也进入了冲刺阶段2 删6 年1 1 月1 5 同， 青岛、秦皇岛、保定、北京、上海五地已经开始规模放号进行澳4 试。 1 2t d - s c d m a 系统简介 t d 一$ c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合。是由中国 无线通信标准化组织( c w t s ) 提出并得到r r u 通过的3 g 无线通信标准。在3 g p p 内部， 它也被称为低码片速率t d d 工作方式( 相对于3 8 4m h z 的u t r at d d 丽一言) 。t d s c d m a 系统特别适合于在城市入口密集区提供高密度大容量话音、数据和多媒体业 务。系统可以单独运营，以满足e t s i a j m t s 和i t u i m t - 2 0 0 0 的要求，也可以与其它 无线接入技术配合使用。例如，在城市人口密集区，使用t d - s c d m a 技术，而在非 人口密集区，则使用g s m w c d m a 或卫星通信等来实现大区或全球的覆盖。 t d - s c d m a 采用直接扩频的d s - c d m a 的方式，并具有t d m a 的特点，即不同 北京邮电大学研究生论文第一章绪论 用户的信号，在码域和时域上由信道扩频码和时隙区分。如图所示，t d s c d m a 无 线空中接口方式同时使用了t d m a 、f d m a 和c d m a 。t d - s c d m a 有9 个可用频点； 在每个频点上，1 0 m s 为一无线帧( r a d i of r a m e ) ，一个无线帧分为两个时长5 m s 的子帧， 每一个子帧包含7 个时长6 7 5 u s 的常规时隙和数个特殊时隙；一个时隙里，使用不同 的o v s f 信道化码来实现物理信道的码分。所以，一个基本物理信道由信道化码、频 率、和时隙三个因数共同决定，形成一种三维接入方式。 图1 - 1t d - s c d m a 多址方式 相对于f d d c d m a 系统，t d d 系统主要有以下一些优点和缺点： 1 t d d 系统的上行和下行使用相同的频率。f d d 双工方式的上下行链路使用不 同的载频，需要两套不同的射频电路。t d d 方式只需一套射频收发电路，用 定时开关控制的收发切换。这样设备比较简单。上下行频率相同也使t d d 方式的上下行链路对称，用上行链路的特性可以估计下行链路的特性，有利 于使用智能天线、多用户检测、o d m a 等新技术。 2 t d d 方式便于利用不对称的频谱资源。f d d 方式的上下行通道要占有相同的 带宽，而且上下行之间要有一定的频率间隔，一般为几十兆赫兹，作为保护。 现在频谱资源十分紧张，要找到符合要求的对称频段不是很容易的。而t d d 方式可以“见缝插针”，只要有满足一个载波的频段就可以使用，可以有效的 利用现有频率资源。 3 t d d 系统可以高效率的满足不对称业务的需要。在t d d 系统中，如果要提 供不对称业务，可以根据当前资源分配情况，给要求更高数据速率的一方提 供更多时隙，即在时间域内解决问题。f d d 方式在频率域内工作，一般只能 使用更多频带来满足要求。 北京邮电大学研究生论文第一章绪论 4 t d d 方式也有一些缺点。首先，t d d 方式对定时和同步要求严格，上下行之 间有保护时隙，同时对高速移动环境的支持也不如f d d 方式；第二，t d d 信号为脉冲( 突发) 形式，通信是不连续的，发射信号的峰值和均值比较大，导 致带外辐射较大。 t d - s c d m a 系统的关键技术主要有： 1 应用智能天线和多用户检测等先进技术； 2 多时隙的t d m a + d s - c d m a ： 3 同步c d m a ，即各终端信号是同步到达基站的，由于采用正交扩频码； 4 同步c d m a 可以在最大程度上减少多址干扰，从而增加系统容量； s 用软件无线电技术实现； 6 信道编码和交织； 7 接力切换。 1 3 论文选题意义 近两年来，国内t d s c d m a 系统的产业链已经逐步形成，而整个产业链能否取 得成功在很大程度上依赖于终端被用户接受的程度。目前，已经有多家终端生产企业 参与到t d s c d m a 终端的研制和开发工作中。 图1 - 2t d - s c d m a 终端制造业迫切需要测试做表 t d - s c d m a 终端的生存周期可概述为“研发一制造一维修”三个步骤。为满足大 规模商用的要求，终端产品的质量水平必须严格把关，因此，在三个步骤中，终端的 测试都是必不可少的。各大厂商急切地盼望能满足稳定性、测试一致性要求，能够量 产的t d s c d m a 终端测试仪表的出现，否则，终端的产能将受到极大的限制。但截 止到2 0 0 5 年9 月，国内还没有厂家有能力生产这类仪表，这将严重影响t d - s c d m a 的产业化进程。 本论文涉及的t d s c d m a 终端测试仪表开发项目就是在这样的背景之下启动的。 北京邮电大学研究生论文第一章绪论 测试仪表的主要功能包括： 1 终端呼叫处理功能：模拟t d s c d m a 网络的接入网和核心网的协议处理过 程，使被测终端进入r m c 状态从而进行相关测试。以下的发射机性能，接收 机性能两个测试项都基于测试仪表的呼叫处理功能。 2 终端发射机性能测试：测试指标包括最大发射功率、频率稳定度、丌环功率 控制、闭环功率控制、最小发射功率、发射关功率测试、发射丌关模板、连 续发射的输出功率失同步处理、不连续发射的输出功率失同步处理、占用带 宽、频谱发射模板、邻道泄漏比、e v m 、峰值码域误差功率。 3 终端接收机性能测试：测试指标包括b e r 测试、b l e r 测试、接收灵敏度测 试、最大输入电平测试。 4 g p i b 功能( 远端控制功能) ；使用p c 或者工控机通过g p i b l a n 电缆的连 接在远端对仪表进行控制。 t d s c d m a 终端测试仪表项目的目标是研制出一款能对t d s c d m a 终端进行终 端一致性测试的综合测试仪表。所谓一致性测试就是验证设备实现与相应协议标准的 一致性，检验不同的待测设备是否能够满足一个统一的要求，从而在相同的外部条件 下进行相同的动作，并且输出相同的结果。 终端一致性测试的开展是为了保证不同厂家的终端在网络内的表现一致并能够互 联互通，保证终端的开发人员有据可依，从而为运营商保证质量。一致性测试包括射 频指标测试、协议信令测试和其他测试。所以，从供求关系的角度看，在中国发放 t d s c d m a 牌照指日可待的情况下，项目的研究成果能一解各终端厂商的燃眉之急， 极具现实意义。 用更长远的眼光来看，t d s c d m a 综测仪的研发对国内测试仪表产业来说也是一 个难得的契机：虽然国外公司在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的网络、基带和射频测试方 面已经有了一整套完善的测试设备，但由于t d s c d m a 起步较晚，在测试仪表的研 发方面，国内和国外厂商处于同一起跑线，国内厂商要突破国外公司对测试仪表制造 业的垄断，必须抓住这个难得的机会。 1 4 作者研究生期间的主要工作 作者于2 0 0 4 年9 月加入北京邮电大学无线新技术研究所( w t ii n s t i t u t e ) 进行研 究生阶段学习，主要研究方向为宽带无线通信。读研期间，先后参与了如下项目的研 发工作： 基于1 e e e8 0 2 1 6 的w i m a x 无线通信系统的标准跟踪和研究、针对w i m a x m a c 层协议栈的白盒测试。该项目的测试工作主要分为单元测试和系统测试 北京邮电人学研究生论文第一章绪论 两个阶段。作者在单元测试阶段主要负责p h ys u p p o r t 子层的单元测试，在 系统测试阶段的职责是搭建系统测试平台，以测试整个m a c 层协议栈。在 该项目中，作者通过工作和学习，对w i m a x 无线通信系统有了较全面的了解， 同时通过参与软件工程中v 字模型各个步骤的实施，加深了对该模型的理解， 并熟练掌握了各种软件测试技巧。 t d s c d m a 终端测试仪表的设计、开发。在该项目中，作者的主要职责是在 t ic 6 0 0 0 系列d s p 硬件平台上设计、实现、优化t d s c d m a 基带下行模块， 以及设计、实现仪表基带板的p c i 驱动程序。本论文即是对作者在该项目中 所完成工作的总结和思考。 1 5 论文的内容和结构 本论文围绕t d s c d m a 终端测试仪表基带下行模块的d s p 实现这个中心，对具 体的研究、设计以及实现过程进行详细论述。论文的结构安排如下： 第一章“绪论”，首先介绍第三代移动通信系统的三种技术标准，并着重介绍其中 的t d s c d m a 技术，然后描述t d s c d m a 终端测试仪表开发项目的背景和现实意义， 最后叙述作者在研究生期b j 的主要工作； 第二章“项目开发环境及3 g p p 相关技术规范介绍”，对作者在项目中使用的开发 调试环境和作为项目研发依据的相关3 g p p 技术规范进行介绍； 第三章“t d ，s c d m a 终端测试仪表基带部分总体设计”，描述测试仪表总体架构 设计思路，划分为硬件平台和软件体系架构两个部分进行介绍，硬件平台部分介绍硬 件系统框架和各部分主要功能，软件体系架构对仪表软件系统各个部分的主要功能和 其中基带部分所包含的硬件初始化模块、p c i 驱动模块、原语解析模块、上行模块、 下行模块、中断处理模块作简要介绍； 第四章“t d s c d m a 终端测试仪表基带下行模块的研究”，以第二章介绍的3 g p p 相关技术规范和第三章描述的总体设计工作为基础，研究t d s c d m a 终端测试仪表 摹带下行模块的结构划分以及下行模块与基带部分其它模块的接口； 第五章“t d s c d m a 终端测试仪表基带下行模块的实现”，在第四章的基础上， 详细介绍t d ，s c d m a 终端测试仪表基带下行模块的外部接口设计，以及各子模块功 能、算法和内部函数的实现方法； 第六章“总结和展望”，总结全文，回顾作者在参与项目的过程中的体会和收获， 展望t d s c d m a 终端测试仪表的发展前景。 岳 北京邮电人学硕七研究生论文第二章项目开发环境及3 g p p 相天技术规范介纠 第二章项目开发环境及3 g p p 相关技术规范介绍 t d s c d m a 终端测试仪表的基带部分主要是在t it m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 硬件平台 和c c s2 集成开发环境上实现的，这也是作者完成本论文过程中所使用的丌发环境， 本章将对这两部分逐一进行介绍，最后介绍作者开发过程中主要参考的相关3 g p p 技 术规范。 2 1t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 的特点和基本结构 2 。l 1d s p s 与通用微处理器比较及t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 的特点 2 1 1 1 算术单元 硬件乘法器 由于数字信号处理器( d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，d s p s ) 的功能特点，乘法操作 是d s p s 的一个主要任务。在通用微处理器内通过微程序实现的乘法操作往往需要1 0 0 多个时钟周期，非常费时，因此在d s p s 内都设有硬件乘法器束完成乘法操作，以提 高乘法速度。硬件乘法器是d s p s 区别于微通用处理器的一个重要标志。 多功能单元 为进一步提高速度，可以在d s pc p u 内设置多个并行操作的功能单元( a l u 、 乘法器和地址产生起等) 。如c 6 0 0 0 的c p u 内部有8 个功能单元，包括2 个乘法器和 6 个a l u 。这8 个功能单元最多可以在1 个周期内同时执行8 条3 2 位指令。由于多 功能单元的并行操作时d s p s 在相同的时间内能够完成更多的操作，因而提高了程序 的执行速度。 针对乘加运算，多数d s p s 的乘法器和a l u 都支持1 个周期内同时完成1 次乘法 和1 次加法操作。另外很多定点d s p s 还支持在不增加操作时日j 的前提下对操作书或 操作结果的任意位移位。 硬件乘法器和多功能单元的一个应用实例就是实现f i r 滤波器。在一般形式的f i r 滤波器中，乘法是重用组成部分，对每个滤波器抽头，必须做1 次乘法和1 次加法。 因此，如果使用c 6 0 0 0d s p 实现，将能获得很高的执行效率。 另外，d s p 的算法特点和数据流特点还可以使现代d s p s 采用指令比较整齐划一 北京邮l 乜人学研究生论文第一二章项目开发环境及3 g p p 相关技术规范介纠 的精简指令集( r i s c ) ，有利于d s p s 结构的简化和成本的降低。 2 1 1 2 特殊的总线结构 通用微处理器是为计算机设计的。基于成本上的考虑，传统的微处理器通常采用 冯诺依曼总线结构：统一的程序和数据空间，共享的程序和数据总线。由于总线的限 制，微处理器执行指令时，取指和存取操作数共享内部总线，因而程序指令只能串行 执行。 对于面向数据密集型算法的d s p s 而言，冯诺依曼总线结构使系统性能受到很大 限制，因此d s p s 采用了程序总线和数据总线分离的哈佛总线结构，这样d s p s 就能够 同时取指和取操作数了。而且很多d s p s 甚至有两套或两套以上的内部数据总线，这 种总线结构成为修正的哈佛结构。对于乘法或加法等运算，l 条指令要从存储器中取2 个操作数，如果采用多套数据总线就可以同时取得2 个操作数，因此提高了程序效率。 c 6 0 0 0 系列d s p s 则采用了新的v i l w ( 甚长指令字) 结构，片内提钩8 个独立的 运算单元、2 5 6 位的程序总线、2 套3 2 位数据总线和1 套3 2 位的d m a 专用总线。灵 活的总线结构大大缓解了数据瓶颈对系统性能的限制。 2 1 1 3 专用寻址单元 d s p s 面向的是数据密集型应用，随着频繁的数据访问，数据地址的计算时间也线 性增长。如果不在地址计算上作特殊考虑，有时计算地址的时问比实际的算术操作时 洲还长。例如，8 0 8 6 做一次加法需要3 个时钟周期，但是计算一次地址却需要5 1 2 个时钟周期。因此，d s p s 通常都有支持地址计算的算术单元地址产生器。地址产 生器与a l u 并行工作，因此地址的计算不再额外占用c p u 时间。由于有些算法通常 需要一次从存储器中取2 个操作数，所示d s p s 内的地址产生器一般也有2 个。 d s p s 的地址产生器一般都支持间接寻址，而且有些d s p s 还能够支持反转寻址( 用 于f f t 算法) 和循环寻址，如c 6 0 0 0 就支持循环寻址。 2 1 1 4 片内存储器 出于d s p s 面向的是数掘密集型应用，因此存储器访问速度对处理器的性能影响 很大。现代微处理器内部一般都集成有高速缓存器( c a c h e ) ，但是片内一般不设存储 程序的r o m 和存储数据的r a m 。这是因为通用微处理器的程序一般都很大，片内存 储器不会给处理器性能带来明显改善。而d s p s 片内就可以减少指令的传输时间，并 有效缓解芯片外部总线接口的压力。除了片内程序存储器外，d s p s 内一般还集成有数 - b - 北京邮电大学研究生论文 第二章项目开发环境及3 g p p 相关技术规范介绍 据r a m ，用于存放参数和数据。片内数据存储器不存在外部存储器的总线竞争问题 和访问速度不匹配问题，因此访问速度快，可以缓解d s p s 的数据瓶颈，充分利用d s p s 强大的处理能力。c 6 0 0 0 系列d s p s 内部集成有l 8 m b i t 的程序r a m 和数据r a m ， 对有些片种，这些存储器还可以配置为程序c a c h e 或数据c a c h e 来使用。 2 1 1 5 漉水线 除多功能单元外，流水技术是提高d s p s 程序执行效率的另一个主要手段。流水 技术可以使2 个或更多不同的操作重叠执行。在处理器内，每条指令的执行分为取指、 解码和执行等若干个阶段，每个阶段称为一级流水。流水处理使得若干条指令的不同 执行阶段可以并行执行，因而能够提高程序执行速度。理想情况下，一条k 段流水能 在k + ( n - 1 价周期内处理n 条指令。其中前k 个周期用于完成第一条指令的执行，其余 n - 1 条指令的执行需要n 1 个周期。而在非流水处理器上执行n 条指令则需要n k 个周 期。当指令条数1 1 较大时，流水线的填充和排空时间可以忽略不计，可以认为每个周 期内执行的最大指令个数为k ，即流水线在理想情况下效率为l 。但是由于程序中存在 数据相关、程序分支、中断以及一些其他因素，这种理想情况很难达到。 c 。司几几一几厂 一几一几一几几j 拈t c h k 心_ - n + 1 _ - n + 2 - n + 3 - 一 d e c o 曲卜- - 玎1 + 卜i 卜+ 卜n + 1 叫l + 2 叫 勋耐k _ n 2 - k _ n 1 _ n k _ n + l 一 e ”“t e k 1 l 卜_ - n 2 _ + k _ 玎1 山卜- i 卜一 图2 1c s 0 的指令流水线 图2 - 1 是t m s 3 2 0 c 5 0 的4 级流水线示意图，c 6 0 0 0 流水线与之类似。c 5 0 在执行 一条指令时，要经过取指、解码、读取操作数和执行4 个阶段。 对于流水操作还有一个特殊的延迟间隙( d e l a ys l o t ) 问题，即如果某条指令的执 行时间不是单个周期，则在指令结果可以使用前会有1 个或几个周期的等待时间，称 为延迟间隙。对于多数d s p s ，延迟间隙问题会给编程带来一些困难。但是对于c 6 0 0 0 系列d s p s ，这个问题在线性汇编语言编程中完全不用考虑。而且采用线性汇编语言编 程，程序效率可以达到标准汇编效率的9 5 1 0 0 。 2 1 2t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 的基本结构 北京邮电大学研究生论文第二章项目开发环境及3 g p p 相关技术规范介绍 图2 - 2t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 结构框图 上图为t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 d s p 结构框图，c 6 0 0 0 基本结构的主要特点包括： 1 定点浮点系列兼容d s p ，目前c p u 主频i o o 胁7 2 0 m i z ； 。 2 具有v c l o c i 订瑚v l r w ( 甚长指令字) 结构内核：8 个独立的功能单元；每周 七可执行8 条3 2 b i t 指令，最大峰值速度5 7 6 0 m i p s ( 7 2 0 m h z * 8 ) ；专用存取 结构，3 2 6 4 个3 2 b i t 通用寄存器；指令打包技术，减少代码容量； 3 具有类似r i s c 的指令集：3 2 b i t 寻址范围，支持b y t e 寻址；支持4 0 b i ta u j 运算；支持位操作；1 0 0 条件指令； 4 片内集成大容量s r a m ，最大可达8 m b i t ；1 6 3 2 6 4 b i t 外部存储器接口( e m ) 提供了与s d r a m 、s b s r a m 和s r a m 等同步异步存储器的直接接口； 5 内置编解码协处理器； 6 片内提供多种集成外设，其中c 6 4 x 提供多通道e d m a 控制器和3 2 b i t 3 3 m h z 北京邮电大学研究生论文第二章项目开发环境及3 g p p 相关技术规范介绍 p c i 主从模式接口。 2 2c c s 2 集成开发环境 2 2 1c c s2 简介 旺盛的市场需求，激烈的竞争环境对于d s p 产品的开发效率提出了越来越高的要 求。开发者需要有效的开发工具以使d s p 的效能能在有限的开发周期里完全发挥，这 就对开发工具的功能提出了具体明确的要求。通常按功能划分，d s p 芯片的开发工具 可以分为代码生成工具和代码调试工具两大类。 代码生成工具的作用是将用c 语言、汇编语言或两者的混合语言编写的d s p 程序 编译、汇编并链接成为可执行的d s p 程厅，代码生成工具主要包括：c 编译器、汇编 器和链接器等。此外，还有一些辅助工具程序，如文件格式转换程序、库生成和文档 管理程序等。 代码调试工具的作用则是对d s p 程序及系统进行调试，使之能够达到设计目标。 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的系统集成和调试工具主要有；c ，汇编语言源码调试器、初学 者工具d s k 、软件模拟器、评价模块e v m 、软件开发系统s w d s 和仿真器x d s 等。 1 9 9 9 年，1 r i 推出了c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( 以下简称c c s ) 集成开发环境。c c s 的 出现是d s p 开发软件的一次重要的变化。c c s 是一个集成性d s p 软件开发工具，在 c c s 下，开发者可以对软件进行编辑、编译、调试、代码性能测试( p r o f i l e ) 和项目 管理等相关工作。c c s 集成的源代码编辑环境，使程序的调试与修改更为方便；c c s 集成的代码生成工具，使开发设计人员不必在d o s 窗口进入大量的命令及参数；c c s 集成的调试工具，使调试程序一目了然，大量的观察窗口使程序调试与修改得心应手。 除此之外，它还提供了实时分析和数据可视化功能，减低了d s p 系统的开发难度，使 开发者可以将精力集中在应用开发上。而c c s2 是c c s 的升级版本。 从开发者的角度看，c c s c c s2 加速和增强了实时、嵌入传号处理的开发过程， 提供了配置、构造、调试、跟踪和分忻程序的工具，在基本代码产生工具的基础上增 加了调试和实时分析的功能。开发设计人员可在不中断程序运行的情况下查看算法的 对错，实现对硬件的实时跟踪调试，从而大大缩短了程序的开发时间。 2 2 2c c s 2 组件及其特征 c c s2 有着开放式的的组件结构，其内部主要集成以下软件工具f 1 2 】： t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 代码产生工具( 包括c 6 0 0 0 的c 编译器，汇编优化器、汇编 北京邮电大学研究生论文 第二章项目开发环境及3 g p p 相关技术规范介绍 器和连接器) ； 软件模拟器( s i m u l a t o r ) 实时基础软件d s p b i o s t m ； 主机与目标机之间的实时数据交换软件r t d x t m ； 实时分析( r e a l - t i m ea n a l y s i s ) 和数据可视化( d a t av i s u a l i z a t i o nc a p a b i l i t i e s ) 软件。 如下图所示为c c s2 的组件及工作机理。接下来的两个小节将对代码产生工具和 实时基础软件d s p b i o s r m 两个核心组件作简要介绍。 2 2 2 1 代码产生工具 图2 3 c c s2 的组件 代码产生工具是c c s2 集成开发环境的基础，主要由以下几部分组成： 北京邮电大学研究生论文第二章项目开发环境及3 g p p 相关技术规范介绍 d e i ：m g g i n g t 0 0 1 图2 4 c c s 2 代码产生工具 c 编译器：对c 语言源代码进行编译，产生汇编语言源文件。 汇编器：将汇编语言源文件转换为机器代码文件。t i 公司新的汇编器和链接 器创建的目标文件采用种称为c o f f 的目标文件格式。采用这种目标文件格 式更利于模块化编程，并且为管理代码段和目标系统存储器提供更强合力、更 加灵活的方法。 连接器：将目标代码链接形成可执行的文件。基于c o f f 格式编写汇编语言程 序或高级语言程序时，不必为程序代码或变量指定目标地址，由链接程序将 c o f f 目标文件和目标库重定位。这为程序编写和程序移植提供了极大的方 便。 北京邮电大学研究生论文第二章项目开发环境及3 g p p 相关技术规范介绍 文档管理器：将一组文件集合到一个称为库文件的归档文件中。同时允许开发 设计人员删除、替代、释放和添加库成员。 汇编翻译工具：将包含有助记符的汇编语言源文什转换为一个包含代数指令的 汇编语言源代码。 库生成工具：可以使用它构造定制的运行支持库。 运行支持库：包括a n s i 标准运行支持函数、编译工具函数、浮点算术运算函 数和函数等c 编译器支持的函数。 d s p b i o s 是运行在t it m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 上的实时操作系统( r t o s ) ，它 是d s p 应用程序的基础和开发平台，所有的d s p 应用程序都运行在它之上。 d s p b i o s 主要是为需要实时调度、同步以及主机目标系统通信和实时监测的应 用而设计的。d s p b i o s 由3 个部分组成： d s p b i o s 实时内核和a p i ：d s p b i o sa p i 被划分为多个模块。根据应用程序 模块的配置和使用情况的不同，d s p b i o s 的代码大小为5 0 0 字到6 5 0 0 字不 等。应用程序通过调用a p i 来使用d s p b i o s ，所有d s p b i o s 的a p i 都是以 c 可调用的形式提供的。只要遵从c 的调用约定，汇编代码也可以调用 d s p b i o s 的a p i 。 d s p b i o s 配置工具：d s p b i o s 配置工具有一个类似w i n d o w se x p l o r e r 的外 观，可以执行以下功能：设置d s p b i o s 模块的参数；作为一个可视化的编辑 器建立d s p b i o s 对象，如软件中断和任务等；设置芯片支持库( c h i ps u p p o r t l i b r a r y ) 的参数。使用配置工具，d s p b i o s 的对象可以事先配置好并和应用 程序绑定在一起。d s p b i o s 应用程序也可以在运行时动态建立这些对象。 d s p b i o s 实时分析工具：d s p b i o s 分析工具可以辅助c c s 环境实现程序的 实时调试，以可视化的方式观察程序的性能，而且几乎不影响应用程序的运行。 与传统调试方法不同的是，程序的实时分析要求在目标处理器上运行监测代 码。使用d s p b i o s 的a p i 和对象，可以自动监测目标处理器，采集实时信息 并通过c c s 分析工具上传到主机。实时分析包括以下内容程序跟踪、性 能检测、文件服务。 2 33 g p p 相关规范简介 在完成论文的过程中，作者主要参考的技术规范为3 g p pr 4 版本中2 5 2 x x 系列 0 1 1 2 1 3 1 4 】f