第13章 硬件系统设计

第十三章硬件系统设计DSP系统电源时钟JTAG周边器件C6000DSP系统设计DSP系统构成一个C6000DSP要能够正常的运行程序完成简单的任务，并能够通过JTAG被调试，它的最小系统应该包括C6000芯片、电源、时钟源、复位电路、JTAG电路、程序ROM以及对芯片所做的设置。DSP最小系统组成DSP系统功能框图DSP时钟：CPU时钟EMIF时钟外设时钟VcoreVI/O电源：电源供电电源监视系统监视手动复位看门狗电路存储器：异步存储器接口

SRAM、Flash、NvRAM……同步存储器接口

同步静态RAM：SBSRAM、ZBTSRAM

同步动态RAM：SDRAM

同步FIFO模拟I/O：通用A/D、D/A音频Codec视频Decoder、Encoder……数字I/O：输入／输出串行通信接口

UART（RS232、RS422/RS485）

CAN总线

USB……多处理器接口：双口RAM（DPRAM）HPI接口PCI接口总线扩展存储总线外设总线系统总线：复位、时钟、中断……DSP外部接口CLKCPUCLKEMIFCLKI/O数据地址控制片上外设RESET电源DSP系统需要的电源种类数字电源和模拟电源电源滤波电源对PCB布局的影响供电方案及器件选型上电次序电源监视与系统监视电源电路实例电源TIDSP上有5类典型电源引脚：CPU核电源引脚I/O电源引脚PLL电路电源引脚Flash编程电源引脚（仅C2000系列DSP有）模拟电路电源引脚（仅C2000系列DSP有）将DSP上的所有电源引脚连到各自的供电电源上TMS320™DSP核电源I/O电源模拟电源PLL电源Flash电源核地I/O地模拟地PLL地给TIDSP供电电源数字和模拟部分独立供电TMS320™DSP数字部分模拟部分外部模拟电路外部数字电路数字地模拟地模拟

电源数字

电源电源从（有噪声的）数字电源产生模拟电源被动去耦电路：简单对大多数应用已经可以满足要求被动滤波电路数字电源模拟电源数字地模拟地电源从（有噪声的）数字电源产生模拟电源多路稳压器提供更好的去耦效果必须注意：模拟地和数字地必须连在一起多路稳压器方法稳压器B稳压器A+V0V数字电源模拟电源来自整流器数字地模拟地电源电源旁路滤波旁路电容起电荷池的作用，以减少电源上的噪声旁路电容一般采用瓷片电容通常每个电源引脚加一个旁路电容，以平滑电源的波动旁路电容旁路电容电源电源对PCB布局的影响（1）旁路电容大电容供电电源滤波电容反馈线稳压器电源电源对PCB布局的影响（2）旁路电容大电容供电电源滤波电容数字地模拟地数字电源（没有显示）反馈线稳压器电源DSP系统电源方案直流输入开关电源控制器开关电源模块优点：简单、成本低缺点：效率低优点：电流大、效率高缺点：占地大优点：效率高、方便缺点：成本高直流输出直流输出直流输出5VVcoreVI/O线性稳压器电源电源器件选型：步骤用哪种类型的电源器件输入电压输出电压输出电压是否可调输出电压的路数输出电流控制／状态：EN控制、PowerGood状态电源电源器件选型：常用器件（1）线性稳压器：双路输出

TPS767D318： 5V3.3V／1.8V1A／1AEN TPS767D301： 5V3.3V／可调1A／1AEN单路输出

TPS76333： 5V3.3V150mAEN TPS7333： 5V3.3V500mAEN TPS76801： 5V可调1AENPG TPS76833： 5V3.3V1AENPG TPS75701： 5V可调

3AENPG TPS75733： 5V3.3V3AENPG TPS75501： 5V可调

5AENPG TPS75533： 5V3.3V5AENPG电源电源器件选型：常用器件（2）开关电源控制器：双路输出

TPS56300： 5V1.3V～3.3V（可设置）取决于MOS管

TPS5602： 5V可调节 取决于MOS管单路输出

TPS56100： 5V1.3～2.6V（可设置）取决于MOS管开关电源模块：双路输出

PT6931： 5V3.3V／1.8V5.5A／1.75A PT6932： 5V3.3V／1.5V5.5A／1.45A电源上电次序CPU内核先于I/O上电，后于I/O掉电CPU内核与I/O供电应尽可能同时，二者时间相差不能太长（一般不能＞1s，否则会影响器件的寿命或损坏器件）

为了保护DSP器件，应在CPU内核电源与I/O电源之间加一肖特基二极管

电源与系统监视SVS：电源电压监视器件主要功能：监测电源电压，当不满足要求时，产生复位信号辅助功能：上电复位、手动复位、看门狗电路常用的SVS器件：TPS3823-33,MAX706/MAX708：具有电压监测、上电复位、手动复位和看门狗电路TPS3809K33：仅有电压监测和上电复位功能电源电路实例（1）电源电路实例（2）电源电路实例（3）电源上电次序波形时钟基础知识系统中哪些器件需要时钟器件的时钟选项时钟电路时钟信号电气指标时钟电路选择原则使用C6000系列DSP片内PLL时钟对PCB布局的影响时钟基础知识晶体Crystal

晶体谐振器的简称，是一种压电石英晶体器件，具有一个固有的谐振频率，在恰当的激励作用下，以其固有频率振荡。

振荡电路Oscillator 为晶体提供激励和检测的电路

晶振CrystalOscillator 将晶体、振荡器和负载电容集成在一起，其输出直接为一方波时钟信号。锁相环电路PLL（Phase-LockedLoops） 用于对输入时钟信号进行分频或倍频的电路晶体振荡电路哪些器件需要时钟DSPCPU时钟EMIF时钟（仅C55x和C6000系列DSP）串行通信器件UARTUSB……音频／视频器件AudioCodec器件VideoDecoder和Encoder器件……器件的时钟选项大多数器件片内均包含振荡电路，只需外加晶体和2个负载电容即可产生所需的时钟信号。也可禁止片内振荡电路，直接由外部提供时钟信号TIDSP更提供多种灵活的时钟选项：片内／片外振荡器片内PLLPLL分频／倍频系数可由硬件／软件配置不同的DSP时钟可配置的能力可能不同，使用前应参考各自的数据手册时钟电路：晶体CLOAD=C1xC2C1+C2DSPC1C2Internal

Oscillator优点：电路简单：只需晶体＋2个电容价格便宜，占地小时钟信号电平自然满足要求缺点：驱动能力差，不能给其他器件使用频率范围小：20KHz～60MHz注意：负载电容：配置正确的负载电容C6000、C5510等DSP无OSC晶体时钟电路：晶振晶振C1C2Oscillator优点：电路简单占地小频率范围宽：1Hz～400MHz驱动能力强：可提供多个器件使用缺点：成本较高频率生产时已确定，多个独立的时钟需要多个晶振注意：使用时要注意时钟信号电平，一般为5V或3.3V，要求1.8V电平的时钟不能选用，如VC5401、VC5402、VC5409和F281x时钟电路：可编程时钟芯片（1）时钟电路：可编程时钟芯片（2）优点：电路简单、占地小：可编程时钟芯片＋晶体＋2个外部电容多个时钟输出，可产生特殊的频率值，适合于多时钟源的系统驱动能力强：可提供多个器件使用频率范围宽：最大可达200MHz缺点：成本较高，但对于多时钟源系统来说，总体成本较低注意：时钟信号电平一般为5V或3.3V常用器件：CY22381（3个独立的PLL、3个时钟输出引脚）$1.4CY2071A（1个PLL、3个时钟输出引脚）时钟驱动芯片1.Cypress,IDT公司的23xx系列:2300,2304,2308,2309

2.零输入-输出时延

3.多路低偏移(low-skew)输出

4.10MHz~133MHz操作范围

5.低抖动(lowjitter)时钟信号电气指标频率信号电平时钟上升时间和下降时间高／低电平脉冲宽度占空比驱动能力时钟电路选择原则系统中要求多个不同频率的时钟信号时，首选可编程时钟芯片单一时钟信号时，选择晶体时钟电路多个同频时钟信号时，选择晶振尽量使用DSP片内的PLL，降低片外时钟频率，提高系统的稳定性C6000、C5510、C5409A、C5416、C5420、C5421和C5441等DSP片内无振荡电路，不能用晶体时钟电路VC5401、VC5402、VC5409和F281x等DSP时钟信号的电平为1.8V，建议采用晶体时钟电路使用C6000系列DSP片内PLL时钟对PCB布局的影响用被动元件滤波方式给时钟电路供电，供电电源加10～100μF钽电容旁路，每个电源引脚加0.01～0.1μF瓷片电容去耦晶振、负载电容、PLL滤波器等应尽可能靠近时钟器件在靠近时钟源的地方串接10–50Ω端接电阻，以提高时钟波形的质量JTAGDSPEMU0EMU1TRSTTMSTDITDOTCK仿真插头EMU0EMU1TRSTTMSTDITDOTCKTCK_RETPDGNDVCCVCC6InchesJTAG仿真接口-单片DSPVCCVCCDSPTMSTCKTRSTEMU1EMU0TDOTDIDSPTMSTCKTRSTEMU1EMU0TDOTDI仿真插头EMU0EMU1TRSTTMSTDITDOTCKTCK_RETPDGNDJTAG仿真接口-多片DSP1.总线驱动244/2452.电子开关3.串口UART2324.USB接口5.PCI接口6.可编程逻辑器件CPLD/FPGADSP周边器件244/245逻辑图作用：驱动、总线隔离、总线隔离器、芯片保护、电平转换244/245的作用244/245的作用244/245的作用电平变换为什么需要电平变换DSP系统中难免存在5V/3.3V混合供电现象I/O为3.3V供电的DSP，其输入信号电平不允许超过电源电压3.3V5V器件输出信号高电平可达4.4V长时间超常工作会损坏DSP器件输出信号电平一般无需变换电平变换的方法：总线收发器（BusTransceiver）：常用器件：SN74LVTH245A（8位）、SN74LVTH16245A（16位）特点：3.3V供电，需进行方向控制，延迟：3.5ns，驱动：-32/64mA，输入容限：5V应用：数据、地址和控制总线的驱动总线开关（BusSwitch）

常用器件：SN74CBTD3384（10位）、SN74CBTD16210（20位）特点：5V供电，无需方向控制，延迟：0.25ns，驱动能力不增加应用：适用于信号方向灵活、且负载单一的应用，如McBSP等外设信号的电平变换2选1切换器（1of2Multiplexer）常用器件：SN74CBT3257（4位）、SN74CBT16292（12位）特点：实现2选1，5V供电，无需方向控制，延迟：0.25ns，驱动能力不增加应用：适用于多路切换信号、且要进行电平变换的应用，如双路复用的McBSPCPLD3.3V供电，但输入容限为5V，并且延迟较大：＞7ns，适用于少量的对延迟要求不高的输入信号电阻分压10KΩ和20KΩ串联分压，5V×20÷（10＋20）≈3.3V244/245的作用按总线宽度分：8位244/245，16位16244/16245，32位32244/32245按制作工艺分：ALVC,LV,LVC,LVT,ALB,CBT等等，不同的工艺带来不同的特性，造成速度、驱动能力、功耗性能的差异、有的还考虑了信号完整性以及电平兼容性。244/245分类作用：多路复用、总线切换参数：开关电阻值，pin-pin时延，开关切换时间电子开关DSP系统中实现UART功能C2000系列DSP片内已集成有UART功能用McBSP模拟实现UART功能外部扩展UART器件通过SPI总线扩展：MAX3100（Maxim公司）通过8位异步存储器接口扩展PCUART：包含Modem信号 单通道：TL16C750FN（TI公司）

双通道：TL16C752BPT（TI公司）

四通道：TL16C754BFN（TI公司）工业UART：无Modem信号 单通道：SC28L91（Philips公司） 双通道：SC28L92（Philips公司） 四通道：SC28L194（Philips公司） 八通道：SC28L198（Philips公司）串口转换芯片MAX3111E

片内集成了RS232

Transceiver和UART片内集成了电压泵SPI/QSPI/MICROWIRE接口兼容串口转换芯片MAX3111EDSP系统中实现USB功能C5509DSP片内集成有USB1.1功能外部扩展USB器件USB器件按传输速率分为：低速：1.5Mbps全速：12Mbps（USB1.1）高速：480Mbps（USB2.0）USB接口组成：USB发生器：实现USB的电气连接（物理层）USB串行接口引擎SIE：实现USB底层通信协议（链路层）微处理器：编程实现各种应用（应用层）新设计的DSP系统一般选用USB2.0Cypress公司是全球最大的USB接口器件的供应商，其产品系列最全，开发最方便Cypress公司USB2.0器件按实现的功能可分为USB收发器：链路层和应用层全由与之配合的处理器实现

CY7C68000USB智能引擎：USB收发器＋SIE，与之配合的处理器只需实现应用层

CY7C68001USB控制器：USB收发器＋SIE＋MCU，与之配合的处理器只需与MCU进行数据交换

CY7C68013DSP系统中一般选用USB智能引擎或USB控制器DSP与CY7C68013接口CY7C68013为智能USB外设，包含FIFO接口，用于缓存USB端点数据流命令接口，配置、查询USB状态通过DSP的异步存储器接口实现DSP与CY7C68013接口USB连接器FD[15:0]FA[2:0]SLCS#SLRD#SLOE#SLWR#PKTENDIFCLKINT#FLAGAFLAGBFLAGCREADYD[15:0]A[n:0]CEx#ARE#AOE#AWE#INTx#D-D+D+D-GND+5VDSPCY7C68013“1”“1”CPLDDSP系统中实现PCI功能C6411／C6415／C6416和C6205DSP片上已集成PCI接口外部扩展PCI桥接器件PCI桥接器件的组成：PCI总线：直接与PCI总线接口。不同的PCI桥接器件PCI总线部分基本相同局部总线：与处理器或外围器件接口。不同的PCI桥接器件局部总线部分各不相同PCI204016位通用局部总线：接口存储器或外围设备4个8位／16位