（信号与信息处理专业论文）dsp目标机远程调试和数据传输系统的研究.pdf

摘要 d s p 由于其接口简单方便，精度高，稳定性好，编程方便、容易实现复杂算 法等优点，在通信、监控、测量、电子娱乐等领域均有广泛的应用。d s p 系统在 实验室完成测试和调试后投入到工业现场、无人值守、煤矿井下等场合使用。当 系统出现故障时，需要对d s p 产品进行回收才能解决问题，有时则会直接将故 障产品丢弃。这对于产品众多，分布区域较广的d s p 产品来说，不仅会耗费大 量的人力和物力，造成一些不必要的浪费，有时甚至会威胁到操作人员的人身安 全。为了能达到不去现场就能排查、解决故障的目的，就需要能够对d s p 系统 进行远程的测试、调试和升级。本课题针对d s p 产品系统不便进行远程测试、 升级的缺陷，研究一种对d s p 目标机的远程测试、调试和升级的方法。 本文提出了一种基于d s pt m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 和t c p d p 协议的d s p 系统远程 测试和维护的方法。利用d s p 的自举引导、f l a s h 在线编程以及以太网通信技术， 实现了d s p 目标机的远程测试和更新。本系统主要由硬件部分以及相应的算法 软件组成。硬件部分主要包括d s p 的外围电路，d s p 与其外挂闪存f l a s h 的连接， c p l d 及其外围电路，以及以太网通信模块。软件部分主要包括d s p 外部h a s h 的在线编程，网卡驱动程序，t c p i p 协议栈的实现以及上位机程序。在d s p 目 标机端，( 1 ) 编写函数f l a s h w r i t e 实现了对d s p 外挂并行f l a s h 的分页擦除和读 写；( 2 ) 编写了二次b o o t l o a d e r 程序；( 3 ) 对t c p i p 进行了裁剪，实现嵌入式 级轻型协议栈，使d s p 系统具有了网络功能。在上位机端，利用d e l p h i 编程 实现上、下位机网络通信和数据传输。 最后，对以t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 为核心的硬件模块进行测试，并在c c s 环境 下对软件程序进行硬件仿真和调试，实现了d s p 目标系统与上位机的远程通信 和实时数据的传输。并通过具体的应用实例，说明了本课题的设计达到了d s p 目标系统远程更新、维护和测试的目的。 。 关键词：d s p ；以太网；t c p i p ；远程升级；f l a s h a b s t r a c t d s ph a v eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o n s ，m o n i t o r i n g ， m e a s u r e m e n t ，e l e c t r o n i ce n t e r t a i n m e n t ，a n ds oo n t h i sb e c a u s et h e r ea r em a n y a d v a n t a g e so fd s p , f o re x a m p l e ，s i m p l ei n t e r f a c e ，h i g hp r e c i s i o n ，g o o ds t a b i l i t ya n d e a s yt oa c h i e v et h ec o m p l e xa l g o r i t h m s d s ps y s t e m sw i l lb ep u ti n t ot h ei n d u s t r i a l s c e n e ，t h eu n a t t e n d e d ，t h ec o a lm i n ea n do t h e ro c c a s i o n sa f t e rt h ec o m p l e t i o no f t e s t i n ga n dd e b u g g i n g i nt h el a b o r a t o r y w h e nt h e r eap r o b l e mi nt h es y s t e m ，i t so f t e n n e e dt or e c y c l et h ed s pp r o d u c t st os o l v et h ep r o b l e m ，a n ds o m e t i m e st h ep r o d u c t s w i l lb ed i s c a r d e dd i r e c t l y i tn o to n l ys p e n dal o to fh u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ， r e s u l t i n gi nan u m b e ro fu n n e c e s s a r yw a s t e sf o rt h ed s ps y s t e m ，a n ds o m e t i m e se v e n t h r e a tt ot h es a f e t yo ft h eo p e r a t o r i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fs o l v et h e p r o b l e mw a sn o to nt h es c e n e ，w en e e dt om a k ed s ps y s t e mh a st h ef u n c t i o no f r e m o t et e s t ，d e b u ga n du p g r a d e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ht od s ps y s t e mu p g r a d ea n d r e m o t et e s t i n gi sas i g n i f i c a n tt h i n g o nt h eb a s eo fd s pt m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 aa n dt c p i pp r o t o c o l ，t h i sp a p e rr e s e a r c ha m e t h o dt o u p g r a d i n ga n d r e m o t et e s t i n gt h ed s ps y s t e m t h es y s t e m m a i n l y c o m p o s e do ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ea l g o r i t h m t h eh a r d w a r ep a r t sm a j o r i n c l u d et h ed s pe x t e r n a lc i r c u i t ，t h ec o n n e c t i o no fd s pa n dh a s h ，t h ec p l de x t e r n a l c i r c u i ta n dt h em o d u l eo fe t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n t h es o f t w a r ep a r tm a j o ri n c l u d e t h ei n t e g r i t yp r o c e d u r e so fd s pe x t e r n a lf l a s he r a s u r ea n do n l i n ep r o g r a m m i n g ，t h e d r i v e ro fr t l 8 0 19 a s ，t c p i pp r o t o c o ls t a c ka n dt h es o f t w a r eo np c i nt h ee n do f d s p , ( 1 ) p r o g r a m m i n gt h ef l a s h w r i t ef u n c t i o nt oa c c o m p l i s h m e n tt h ed s p e x t e r n a l f l a s he r a s u r ea n do n l i n ep r o g r a m m i n g ( 2 ) p r o g r a m m i n gt h ep r o c e d u r e so fs e c o n d b o o t l o a d e r ( 3 ) s i m p l i f y i n gt h et c p i pp r o t o c o l ，a c h i e v et h ee m b e d d e dl i g h t l e v e l p r o t o c o ls t a c ka n d m a k et h ed s p s y s t e mw i t ht h en e t w o r kf u n c t i o n f i n a l l y , b a s e d o nt m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 aa st h ec o r e ，t e s tt h eh a r d w a r em o d u l e s i m u l a t i o na n dd e b u gt h es o f t w a r ei nc c se n v i r o n m e n t t h i ss y s t e mc a na c h i e v et h e r e m o t ec o m m u n i c a t i o na n dr e a l - t i m ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nd s pt a r g e ts y s t e m a n dp c c o m p l e t i n gt h er e m o t eu p d a t i n g ，m a i n t e n a n c ea n dt e s t i n go fd s pt a r g e t s y s t e m k e yw o r d s ：d s p , e t h e r n e t ，t c p i p , r e m o t eu p d a t e ，f l a s h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂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。 学位论文作者签名：孪娟 签字同期：叩年多月 学位论文版权使用授权书 罗日 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云注王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢李娟 签字同期：d 7 年乡月( 7 日 导师签名： 签字日期： p c 7 年月7 日 学位论文的主要创新点 一、对t c p i p 协议进行了裁剪，在d s p 系统中移植了嵌入式级轻型 通信协议栈，使d s p 系统具有了以太网通信功能，节省了系统资源； 二、将以太网技术和d s p 外部存储器的编程技术结合起来，实现了 通过以太网对d s p 系统的远程更新和功能测试。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术已经发展成为一门关键的技 术学科，而d s p 芯片的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能【1 1 。虽然 在计算机中c p u 仍是主角，但是在一些嵌入式应用中d s p 已经在发挥作用， 比如作为影像加速器、嵌入式调制解调器、实时媒体编解码器等。在某些场合 的应用中，集成有r i s c 处理器的d s p 平台已经可以胜任主处理器的工作，体 现出通信与计算机应用的融合。 随着数字化进程的加速，更多的数字消费类产品中都采用了d s p 。虽然在 影音产品中大量采用专用编解码芯片，但涉及到音视频的编码，还有多制式的 解码应用，d s p 还难以被取代。基于d s p 的数字相机开始由高端下移，m p e g 4 数字播放器新产品，已经投放市场，这势必将掀起新的消费高潮。即便是在传 统白色家电中，d s p 应用也有深入进行，如基于d s p 的数字变频的应用己经由 空调延伸到冰箱和洗衣机。在医疗仪器方面，基于d s p 的人体生理信息诊断设 备将推出，从而一改以往需要借助庞大微机系统的局面。在高端医学影像处理 方面，将采用像c 6 7 1 3 这样的高速浮点处理器；在低端医学采集设备中，将大 量采用m s p 4 3 0 此类的超低功耗单片机【捌。 另一方面，以太网以其成熟的网络技术在各个领域也得到了广泛应用。几 乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，并且其硬件设备的价格也相对低 廉，所以选择以太网和t c p i p 协议作为远程数据的传输媒介，不仅不会拘泥于 软件开发语言，而且可以节省硬件的成本【引。 如果要使d s p 设备能够通过网络进行通信和控制，就必须提高设备的技术 含量，对其整个系统进行升级改造，有时还必须要更换设备【4 1 。并且在使用的 电子设备中，普遍存在着丢掉旧的去买个新的这种现象。其实有些旧的产品也 还是八成新，丢掉太可惜，并且还污染了生态环境，大部分产品也完全可以通 过升级其软件而得到最新的一些功能。比如，受大家欢迎的m p 3 和m p 4 媒体 播放器，不改变其硬件结构，只要通过网络从其官方网站下载升级程序，就可 以播放其它格式的音乐或视频了。升级特性对电子产品具有很重要的作用，将 成为电子产品的重要性能指标之一5 1 。再比如说对于煤矿的井下监控，如果d s p 监控系统出现故障，那么必须派技术人员潜入井下进行故障排查，这不仅耗费 天津i ：业人学硕十学位论文 人力、物力，耗费时间，有时甚至会威胁到技术人员的人身安全。如果此监控 系统具备了远程调试和升级的功能，那么我们就可以通过以太网对其进行远程 的测试，更新设备的软件程序，使之能f 常的工作。对智能设备的远程升级和 维护，实现以太网的通信和控制，能够提高生产效率，降低成本，提高经济效 益【4 j 。因此研究系统的远程升级特性是件有意义的事情。 本课题根据d s p 产品现有的状况，以t l 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 为研究 对象，设计了一个d s p 系统，并应用以太网t c p i p 协议完成了该系统的远程 升级和维护。 1 2 发展历程 1 d s p 芯片的发展历程 世界上第一个d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司发布的8 2 8 1 1 ，而1 9 7 9 年美国 i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。这两种 芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器，最成功地d s p 芯片 当数美国德州仪器公司( 简称t i ) 的一系列产品。 1 r i 公司在1 9 8 2 年成功推出第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品 t m s 3 2 0 1 1 ，t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等之后，相继推出了第二代d s p 芯 片t m s 3 2 0 2 0 ，t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 31 c 3 2 ， 第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x 5 4 x ，第二代 d s p 芯片的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。 为了方便，常常把c 2 4 x 和c 2 8 x 称为c 2 0 0 0 系列，主要用于数字控制系统： 把c 5 4 x 和c 5 5 x 称为c 5 0 0 0 系列，主要用于低功耗、便携式的无线通信终端产 品；把6 2 x 、c 6 4 x 和c 6 7 x 称为c 6 0 0 0 系列，主要用于高性能复杂的通信系统， 如移动通信基站。c 5 0 0 0 系列的d s p 在移动通信终端中应用广泛，其中c 5 4 x 最为成熟，它采用改进的哈佛结构，并集成有丰富的硬件逻辑和外部接口资源， 不仅提高了性能，也降低了成本和体积。c 5 5 x 是在c 5 4 x 的基础上发展起来的， 是目前功耗最低的新产品，c 5 5 x 的运算速度与c 5 4 x 相比，也有很大的提剐6 | 。 本系统的核心芯片d s p 选用的是t i 公司的c 5 5 x 系列的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 。 2 以太网的发展 在计算机网络发展历程中，以太网可以说是众多网络技术中最具影响力的 一种。以太网技术不但随着通信和计算机技术不断发展，而且还对新的网络技 2 第一章绪论 术产生着非常重要的影响。无论是在i n t e m e t 还是在接入网，以太网都在或者将 成为应用场合最多、应用范围最广的网络技术【7j 。 以太网自1 9 8 2 年被采纳为i e e e 标准以来，在局域网范围内得到了广泛使 用，成为局域网的事实标准，除此之外，以太网在高性能计算领域也有了一席 之地。在2 0 0 5 年1 1 月的t o p 5 0 0 排名中，有接近一半的高性能计算机使用千 兆以太网作为其互联网络。下面介绍以太网的发展历程1 7 j ： 1 9 7 3 1 9 8 2 ：以太网的产生与d i x 联盟。1 9 7 3 年，x e r o x 公司提出并实现了 最初的以太网。d i x 联盟1 9 8 0 年9 月开发并发布了1 0 m b s 的以太网标准。与 此同时，i e e e 8 0 2 委员会被分成了几个工作组从事不同的l a n 技术研究。 i e e e 8 0 2 3 研究基于以太网技术的标准，i e e e 8 0 2 4 和8 0 2 5 工作组分别研究令 牌总线与令牌环技术。 1 9 8 2 1 9 9 0 ：1 0 m b s 以太网发展成熟。1 9 8 3 年6 月，i e e e 标准委员会通了 第一个8 0 2 3 标准。在8 0 年代后几年，在这项基本标准中又增加了中继器规范 并可支持细同轴电缆以及光纤等。 1 9 8 3 1 9 9 7 ：l a n 网桥接与交换。d e c 在8 0 年代初开发了第一个透明l a n 网桥，成为多个以太网互连的主流设备。结果1 9 9 0 年出现了i e e e 8 0 2 i d 标准。 使用交换机后，实现了“全双工以太网”。1 9 9 5 年，i e e e 8 0 2 3 委员会开始研究 全双工操作的标准，并在1 9 9 7 年通过了一项标准 i e e e 9 7 】。 1 9 9 2 1 9 9 7 ：快速以太网。计算机性能和应用需求的增长，要求网络容量也 同时增长。 1 9 9 6 至今：千兆以太网。在快速以太网的官方标准提出后不到一年，对千 兆以太网的研究工作也开始了，这种网的速率可达到1 0 0 0 m b s 。 2 0 0 2 年7 月制定的i e e e 8 0 2 3 a e 规范标志着万兆以太网的诞生。万兆以太 网带宽达到1 0 g b i t s ，传输距离最远达到4 0 k m ，性能较之千兆以太网有了极大 的提高。万兆以太网与以往的以太网规范兼容，可以方便的实现网络设备升级， 因此。万兆以太网替代千兆以太网成为通用网络的主流将是一个趋势【8 1 。 以太网由于其成本和性能优势，硬件实用性以及容易实施等优点，逐渐成 为各种远程通信的首选网络协议【8 1 。因此，本设计也选用了以太网作为网络通 信协议。 3 电子产品常用的系统升级维护方法 目前电子产品升级技术正兴起于电子电路研制、生产、功能不全、设备更 新能力差、故障诊断等方面。它的出现大大提高了电子产品的质量可靠性，缩 短了电子设备的维护时间，大幅度降低了电子设备的更新、检修费用。常用的 天津工业人学硕士学位论文 系统升级维护方法主要由以下几种1 3 j ： ( 1 ) 更换已经固化了软件程序的芯片 用户携带产品到公司专设的客户服务部门，要求维修人员将更新软件程序 一次性的写入e 2 p r o m ，从而更新启动引导；如丌发出新的技术功能或有新产 品问世；用户要不直接购买新产品，要不就再次擦写e 2 p r o m ，即使是免费服 务，对用户来说也很不方便。 ( 2 ) p c 电脑对接 用户到公司指定的代理商处索取更新软件，拷贝到用户电脑罩。然后利用 d s p 与p c 机的通讯功能，从上位机下载程序文件写入到d s p 的e 2 p r o m 存储 芯片里，同样也很不方便。 ( 3 ) 登录公司服务网站 通过p c 机利用i n t e r n e t 上网方式，下载产品升级软件包到p c 机磁盘。再 利用d s p 与p c 机的通信，将升级数据烧录到非易失性存储器。这种方法使用 起来较为方便，用户可以自己完成所有的操作。 本课题中对d s p 目标系统的远程测试和调试其实也就是对d s p 系统实现 远程更新和维护的一个过程。在课题研究中用到的几项关键技术，其中最重要 的就是d s p 外部存储器的在线编程技术和t c p i p 协议的嵌入。 为了能够通过以太网对d s p 系统进行远程测试和更新，首先要保证此系统 是一个网络化仪器。我们将服务于人们从任何地点、在任意时| 白j 都能获取到测 量信息或数据的所有硬、软件条件的有机集合称为“网络化仪器”。智能仪器要 成为网络化仪器，最重要的就是要将t c p i p 协议栈嵌入到仪器中。d s p 的功能 强大，具备很强的信号处理能力、极快的数据传输速度、片上资源丰富。但是 要将t c p i p 协议嵌入到d s p 系统中去，也有很大的难度。为了节约资源，一 般以“够用即可的原则，本课题对庞大的t c p i p 协议进行裁剪，实现了嵌入 式级轻型协议栈。 传统的对d s p 外部f l a s h 存储器编程的方法主要有两种：一种是使用通用 的编程仪器进行编程，另一种是通过d s p 的j t a g 仿真接口对f l a s h 存储器进 行编程。这两种方法都存在着很多的缺陷，第一种方法操作繁琐，程序修改不 便，已经逐步被淘汰；第二种方法不能脱离c c s 仿真环境，编程时需要打开设 备外壳等因素也很难适应现场编程的要求。针对上述的问题，结合以太网互联 的最广泛的t c p i p 协议，本课题提出了一种新的d s p 外部存储器编程的方法。 4 第一章绪论 1 3 课题主要任务 本课题主要是为了实现对d s p 目标系统软件的远程测试和升级。首先要保 证系统硬件的可靠性和稳定性，此d s p 系统能准确、快速地连接到i n t e r n e t 网 的客户服务终端p c 机上，与p c 机之间进行数据通信，并根据接收到的数据 对系统进行实时更新，都是系统功能的主要体现之处。当系统与i n t e r n e t 联网 时，传输数据的准确性、可靠性、稳定性是此嵌入式系统所要考虑的主要性能 指标。同时，对d s p 外部f l a s h 芯片的擦除和烧写以及d s p 系统上电复位后的 自举引导也都需要考虑到准确性、稳定性和高速性的问题。 根据系统的各项功能需求，本课题主要完成的任务有系统硬件电路的设计 和软件算法的实现。硬件部分主要包括d s p 的外围电路设计，d s p 外部存储器 的扩展，c p l d 控制器及其外围电路设计，以太网通信模块的设计：软件部分 主要包括对d s p 系统各部分的初始化，d s p 外部f l a s h 的在线编程及程序代码 的固化，以太网接口的驱动程序。另外还包括t c p i p 协议栈的实现。根据系统 功能的实际需求，要对t c p i p 协议进行适当的简化，以实现简单的t c p i p 协 议。最后编写了二次b o o t l o a d e r 程序及远程端上位机的通信测试程序，实现 d s p 目标系统的上电自举和远程测试、升级。 第- 二章系统总体殴计 第二章系统总体设计 本设计的目的是要实现对d s p 目标系统的远程测试和更新，系统的总体设 计包括两个主要部分：d s p 目标机的硬件设计和上、下位机的软件程序设计。 本章首先分析了系统的工作原理，确定了泵统的设计方案和系统的整体硬件框 图，并设计出了系统整体的软件流程图。 2 1d s p 概述 d s p 有两种理解，广义上理解是数字信号处理( d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ； 狭义上理解是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，也就是专门用于数字 信号处理的微处理器，在本文中主要指狭义的d s p ，即数字信号处理器1 9 , 1 0 l 。 d s p 微处理器是专门为数字信号处理而设计的，与通用的微处理器相比， 它在高速处理数字信号方面有着无可比拟的优越性，主要体现在： 首先，d s p 芯片采用改进的哈佛结构( h a v a r ds t r u c t u r e ) 。其主要特点是程 序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，由于可 以同时对数据和程序进行寻址，大大提高了数据处理能力，非常适合于实时的 数字信号处理。t i 公司的d s p 芯片结构是基本采用改进哈佛结构。改进之处是 在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这一改进允许数据存放在程 序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好 两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。改进的哈佛结构 还可使指令存储在高速缓存器( c a c h e ) 中，省去了从存储器中读取指令的时间， 大大提高了运行速度。 其次，d s p 指令系统是流水线操作。d s p 的流水线结构是提高程序执行效 率的一个重要手段。采用流水线结构，使得两个或者更多不同的操作可以重叠 执行。在处理器内，每条指令的执行分为取指令、译码、取操作数和执行等几 个阶段，每个阶段成为一级流水。流水处理使得若干条指令的不同阶段并行执 行，因而能够提高程序执行速度。在理想情况下，一条k 段流水能在k + ( n 1 ) 个周期内处理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 个周期指令。然而，非流水处理器上执行n 条指令却 需要n k 个周期。利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号 处理中用的最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。 天津j ：业人学硕十学位论文 第三，采用专用的硬件乘法器。在一般计算机上，算术逻辑单元( a l u ) 只能完成两个操作数的加、减及逻辑运算，而乘法( 或除法) 则有加法和移位 来实现。因此，在这样的计算机的汇编语言中虽有乘法指令，但在机器内部， 实际上还是有加法和移位来实现的，使乘法运算可以在一个指令周期内完成。 如在t m s 3 2 0 v c 5 5 x x 系列d s p 芯片中，有独立的硬件乘法器。 第四，快速的指令周期。c m o s 技术、先进的工艺、集成电路的优化设计 及工作电压的下降( 由5 v 到3 3 v ，再到1 8 v ) ，使得d s p 芯片的主频不断提 高；目前t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列的芯片的最高工作主频己经达到 6 0 0 m h z ，指令周期已经将降到了5 n s 。随着微电子技术的发展，指令周期还会 进一步缩短。 第五，良好的多机运行特性。在一定的技术条件下，d s p 芯片的单机处理 能力是有限的，系统的数据处理容量还是经常会超出单个d s p 的处理能力。随 着数字信号处理器d s p 芯片的广泛应用和d s p 芯片价格的不断降低，多个d s p 芯片的并行处理己经成为近年来的研究热点，并逐渐在应用中崭露头角。多机 并行类似于高性能的m p u 巨型机。t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 5 x 系列还提供了专门 用于多个d s p 并行运行的硬件通信接口。 第六，片内存储器。由于d s p 面向的是数据密集型的应用，因此存储器访 问速度对处理器的性能影响很大。数字信号处理算法的特点是需要大量的简单 计算，相应的其程序比较短小，存放在d s p 片内可以减少指令的传输时白j 。除 了片内程序存储器外，d s p 内一般还集成有数据存储器，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，可以缓解数据传输瓶颈，充分利用d s p 强大的处理能力。 由于d s p 具有上述突出的特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。 2 2 系统工作原理及总体硬件结构 d s p 系统的软件升级的过程也就是对d s p 外挂的f l a s h 进行在线编程的过 程。在设计过程中，采用b o o t l o a d e r 设计方法，利用d s p 的b o o t l o a d e r 程序 把存储在慢速的f l a s h 里的程序l o a d 到d s p 内部的高速r a m 中运行。d s p 的 应用程序经调试完成后，首次将可执行文件写入f l a s h 由d s p 仿真器经j t a g 口实现，并且此段程序固化后除了出现问题外不允许修改。此后的程序更新则 都通过以太网在线完成，不需要仿真器的参与。 在系统重新上电后，通过人机交互功能，即可以人为的选择是否需要升级， 当需要升级时，d s p 自动从f l a s h 加载、运行更新后的程序。在加载过程中， 8 第二章系统总体i 殳计 p c 机首先发程序加载指令给d s p ，在d s p 返回确认指令后，p c 机就与d s p 建立了通信连接；接下来开始加载新的程序到d s p 。在程序加载结束后，p c 机 发送查询指令，检查数掘校验和是否正确，如不正确则重新建立连接，将所有 程序数据重传。不需要升级时，d s p 则运行原来的主程序。系统方案结构示意 图如图2 1 所示。 p c i 机恻关 以太网 图2 - 1 系统方案示意图 d s p 系统 系统硬件主要分为三个主要的部分，包括d s p 最小系统，存储器的扩展电 路，以太网接口模块。在d s p 最小系统中，选用t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 为核心处理 器，其外部还包括电源电路、时钟电路、复位电路、j t a g 接口电路；使用 a m 2 9 l v 8 0 0 芯片作为外部r o m 使用，用来固化程序，系统上电后，利用处理 器的b o o t l o a d e r 功能从该芯片中加载程序到处理器中使用。核心芯片还有 c p l d 控制器、网卡控制器等。被调试的d s p 目标机的硬件结构主要组成部分 以及主要使用的芯片器件如图2 2 所示。 图2 - 2d s p 目标机硬件结构图 9 天津一i ：业人学硕士学位论文 2 3 系统软件设计流程 整体的设计思路已经确定，要实现d s p 目标机的远程测试和更新除了系统 硬件设计以外主要还有三个方面主要的工作要做，即f l a s h 存储器的在线编程 ( 包括分页擦除和烧写) 、d s p 利用b o o t l o a d e r 特性实现自举以及d s p 与p c 机的以太网通信技术。除此之外，还包括d s p 、e m i f 、网卡的初始化程序等。 根据系统功能需求，设计出了d s p 目标系统总体的软件流程图，如图2 3 所示。 图2 - 3 系统总体软件流稃图 1 0 第二章d s p 目标机的硬什设计 第三章d s p 目标机的硬件设计 为了调试的方便，本课题设计了一个d s p 目标机最小系统，并可在此系统 上进行模块的扩展，使d s p 系统具备不同的功能。本章详细介绍了系统的硬件 设计。首先简要介绍了t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 芯片的特性，详细说明了它的外围电 路设计。重点说明了电源管理电路设计，时钟电路设计，复位电路设计，j t a g 接口电路设计。并对d s p 的外部存储器接口做了详细的说明，详细讲述了d s p 与外部s d r a m 、f l a s h 、c p l d 的接口实现。最后对以太网和网卡芯片做了简 要介绍，详细说明了以太网接口模块硬件电路的设计。 3 1t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 及其存储空间结构介绍 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 是t i 公司的一款基于t m s 3 2 0 v c 5 5 xd s p 核的1 6 位高 速低功耗定点d s p ，是t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 的改进版本。是一种适合于进行实时数 字信号处理的微处理器，主要应用于对音频、图像的数字信号处理，是设计便 携设备的较佳解决方案。t ms 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的主要特性如下【6 , 1 1 】： ( 1 ) 支持1 0 8 、1 4 4 和2 0 0 m h z 三种时钟频率，每秒可执行一到两条指令。 ( 2 ) 3 3 v 的i o 电压，1 6 v 的内核电压。 ( 3 ) 具有两个劁l u ( 其中一个4 0 位，一个1 6 位) 和两个m a c 单元( 单 周期内能同时完成两个1 7 1 7 b i t 乘法) ；内部具有六条总线，三条数据读总线， 两条数据写总线，一条程序总线，在一个周期内可完成三次数据读和两次数据 写。 ( 4 ) 数据和程序空间统一编址，通过四个片选信号，可寻址1 6 m 字节的外 部数据程序空间，大大扩展了数据空间，具有1 2 8 k 1 6 b i t 的片上r a m ：并 可通过e m i f 实现多种存储的无缝连接，包括s d r a m ，f l a s h 等。 ( 5 ) 板上扩展资源丰富，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 有支持多种工业标准的串行口。 如：2 路1 0 位分辨率的d 接口、多通道缓冲串行口( m c b s p s ) 、多媒体卡 安全数据串行口( m m c s d ) 、存储棒串行口( m s ) 、以及1 1 规范的u s b 接 口等。还具有通用主机接口( u h p i ) 、通用i 0 口和可编程数字锁相环( d p l l ) 、 计时器和多个d m a 控制器等设备。 c 5 5 0 9 a 的存储空间包括统一的数据程序空间和i o 空间。数据空间地址 用于访问存储器和内存映射寄存器，当c p u 从存储器中读取指令时利用程序空 间地址，而i 0 空间用于c p u 与外设之间的双向通讯。c 5 5 0 9 a 采用统一的编 天滓i ：业人学硕十学何论文 址方式，即存储空间地址没有重叠。但是寻址方式却有两种不同的方式一字节 寻址和字寻址。当d s p 中的c p u 访问程序存储空j 白j 时，采用字节寻址方式， 而c p u 访问数据存储空间时，采用的是字寻址方式【6 1 。 ( 1 ) 程序空间 当c p u 读取指令时，程序空问才会被访问。c p u 采用字节寻址，且地址 是2 4 位，指令的读取要和3 2 位的偶地址对齐( 地址的低两位为零) 。d s p 支持 8 位、1 6 位、2 4 位和4 8 位长度的指令。 ( 2 ) 数据空间 c 5 5 0 9 a 采用字寻址来读取数据空间的8 位、1 6 位或3 2 位数据。当c p u 访问数据空间时，采用字寻址，即为每个1 6 位的字分配一个3 2 位宽的地址。 ( 3 ) i 0 空间 c 5 5 0 9 a 的i o 空间与数据程序空间是分丌的，采用1 6 位宽的字寻址，即 为每个字分配一个1 6 位地址，其寻址范围为6 4 k b ，当c p u 访问i o 空i 白j 时， 用d a b 读数据，用e a b 写数据。 3 2i ) s p 外围电路设计 1 电源电路设计 电源设计是硬件设计的根本，要使系统运行稳定，可靠稳定的电源是必不 可少的。本系统中除了d s p 以外其它器件工作电压为5 v 或3 3 v ，所以我们采 用5 v 电源供电。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 芯片需提供的电源为两种，分别为c p u 核 心和周边i o 接口供电。周边i o 电源( d v d d ) 电压要求+ 3 3 v ，c p u 核心电 源( c v d d ) 电压为+ 1 6 v 。并且d s p 对这两种电源加电次序也有要求，理想 情况下两个电源同时加电，但是一般场合很难做到，这时应先对c v d d 加电， 然后对d v d d 上电。讲究供电次序的原因在于：如果只有c p u 内核获得供电， 周边i o 没有供电，对芯片是不会产生任何损害的，只是没有输入输出能力而 已：如果反过来，周边i o 得到供电而c p u 内核没有加电，那么芯片缓冲驱动 部分的三极管在一个未知状态下工作，这是非常危险的【1 1 。鉴于以上原因，我 们选用t i 公司专门为双电源系统设计的电源芯片t p s 7 3 h d 3 0 1 ，即输入电压为 直流+ 5 v ，输出电压为直流+ 3 3 v 和可调，同时也避免了上电次序的问题。 t p s 7 3 h d 3 0 1 的可调电压值可以通过选用合适的电阻值的方式，将其输出电压 值设定为+ 1 6 v 1 2 j 。 图3 1 为根据t p s 7 3 h d 3 0 1 芯片性能设计实现双电压输出的电源电路方案， 具体分析如下1 1 3 , 1 4 】： 1 2 第二章d s p 目标机的硬件设计 图3 - 1 电源电路 ( 1 ) t p s 7 3 h d 3 0 1 芯片可以提供最高7 5 0 m a 的电流，为了适应较大的电流 输出场合，该芯片输入和输出的管脚都采用两个管脚，这样可以提高电流的通 过率并有利于芯片散热。 ( 2 ) 1 6 v 稳压器输入部分为i n l 两个管脚，输入+ 5 v 的v c c ，输出部分为 o u t l 两个管脚，f b l s e 端子也必须接到o u t l 管脚，以提供高稳定性的1 6 v 输出。 ( 3 ) 3 3 v 稳压器输入部分为i n 2 两个管脚，输入为+ 5 v 的v c c ，在输入端 加了滤波电路，提高了电源电压的稳定性。输出部分为两个o u t 2 管脚，将 s e n s e 2 直接接到o u t 2 上得到3 3 v 的输出，并在输出端加了滤波电路，以提 供高稳定的3 3 v 输出。 2 时钟电路 时钟电路用来为c 5 5 0 9 a 芯片提供时钟信号，由一个内部振荡器和一个锁 相环p l l 组成，可通过芯片内部的晶体振荡器或外部的时钟电路驱动。c 5 5 0 9 a 时钟信号的产生有两种方法【1 5 l ：使用外部时钟源、使用芯片内部的振荡器。若 使用外部时钟源，只要将外部时钟信号直接加到d s p 芯片的x 2 c l k i n 引脚， 而x i 引脚悬空：若使用芯片内部的振荡器，只要在芯片的x 1 和x 2 c l k i n 引 脚之间接入一个晶体，用于启动内部振荡器。 本系统采用内部振荡器，在管脚x 1 和x 2 c l k i n 之间连接一个2 0 m h z 晶 体来启动内部振荡器，如图3 2 所示。 天津j r = 业人学硕十学位论文 图3 2 系统时钟电路 3 系统复位电路设计 c 5 5 0 9 a 的复位输入引脚r s t 为处理器提供了一种硬件初始化的方法，它 是一种不可屏蔽的外部中断，可在任何时候对c 5 5 x 进行复位。当系统上电后， r s t 引脚应至少保持5 个时钟周期稳定的低电平，以确保数据、地址和控制线 的正确配置。复位后( r s 回到高电平) ，c p u 开始执行程序。 c 5 5 0 9 a 的复位分为软件复位和硬件复位，软件复位是通过执行指令实现 芯片的复位。硬件复位是通过硬件电路实现芯片的复位，硬件复位有上电复位、 手动复位和自动复位三种【1 6 】。 ( 1 ) 上电复位电路 上电复位电路是利用r c 电路的延迟特性来产生复位所需要的低电平时间。 由r c 电路和施密特触发器组成。上电瞬间，由于电容c 上的电压不能突变， 使r s 仍为低电平，芯片处于复位状态，同时通过电阻r 对电容c 进行充电， 充电时间常数由r 和c 的乘积确定。为了使芯片正常初始化，通常应保证r s t 低电平的时间至少持续3 个外部时钟周期。但在上电后，系统的晶体振荡器通 常需要1 0 0 2 0 0 m s 的稳定期，因此由r c 决定的复位时间要大于晶体振荡器稳 定期。为了防止复位不完全，r c 参数可选择大一些。 复位时间可根据充电时间来计算： 电容电压：圪。屹c ( 1 一e - i 7 ) 时i b j 常数：f - r c 复位时j 盹“肥j n 【麓】 公式( 3 - 1 ) 公式( 3 2 ) 公式( 3 - 3 ) 设v 。= 1 5 v 为阈值电压，选择r = 1 0 0 kq ，c - 1 0 肛f ，电源电压v c c 3 3 v ， 可得复位时间t = 6 0 6 m s 。随后的施密特触发器保证了低电平的持续时间至少为 6 0 6 m s ，从而满足复位要求。 ( 2