【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 7 2 軟硬件開發(fā)平臺 及器件介紹 大部分基于 DSP 的應 用程序的開發(fā)包括四個基本階段：應用設計、代碼創(chuàng)建、調(diào)試、分析與調(diào)整。而這些都依托于軟件和硬件開發(fā)平臺。本文是在 ICETEK6713A評估板和 CCS 的軟件仿真環(huán)境下所進行的設計。 軟件開發(fā)環(huán)境 可編程 DSP 芯片的開發(fā)工具分為代碼調(diào)試工具和代碼生成工具兩大類，代碼生成工具的作用是將用 C語言、代數(shù)語言、匯編語言或者兩者的混合語言編寫的 DSP 程序編譯、匯編并鏈接成可執(zhí)行的 DSP程序，代碼生成工具主要包括： C 編譯器、匯編器和鏈接器等。還有一些輔助工具程序，如文件格式轉(zhuǎn)換程序、庫生成和文檔管理程序 等；代碼調(diào)試工具的作用是對 DSP程序及系統(tǒng)進行調(diào)試，使之能達到設計的目的， TMS320 系列 DSP芯片的系統(tǒng)集成和調(diào)試工具有： C/匯編語言原碼調(diào)試器、初學者工具 DSK、軟件模擬器、評價模塊 EVM軟件開發(fā)系統(tǒng) SWDS 和仿真器等。 CCS集成開發(fā)環(huán)境 CCS 集成開發(fā)環(huán)境支持編輯、編譯、匯編、鏈接和調(diào)試 DSP 程序的整個開發(fā)過程，它還允許編輯 C代碼和匯編源代碼，還可以在 C 代碼之后顯示與之對應的匯編指令。只需要在菜單 VIEW 中選擇 Mix Source/Asm 選項，即可看到 C之后跟著的匯編語句。與以往的 DSP 開發(fā)軟件不同的是， CCS 使用工程 （ Project） 來管理應用程序的設計文檔，這與以往的 Microsoft Visual Studio 有很大的相似處。工程中包含有源代碼、目標文件、庫文件、連接命令文件和頭文件。在以往的開發(fā)工具中，編譯、匯編和鏈接是各自獨立的執(zhí)行程序，開發(fā)設計人員需要熟悉每個程序的相關(guān)參數(shù)，且需要在 DOS 窗口下鍵入這些繁瑣的命令，而在 CCS 集成開發(fā)環(huán)境下只需要修改這些參數(shù)即可。而且， CCS 能自動查找工程所需要的頭文件，并將它加入工程中。 CCS 工作界面如圖 3。 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 8 圖 3 CCS 工作界面 CCS 有兩種工作模式，即軟件仿真器模式 和硬件在線編程模式。軟件仿真器方式 可以脫離 DSP 芯片，在 PC 機上模擬 DSP 的 指令集和工作機制，主要用于前期算法實現(xiàn)和調(diào)試。硬件在線編程模式 可以實時運行在 DSP 芯片上 ， 與硬件開發(fā)板相結(jié)合在線編程和調(diào)試應用程序。 的調(diào)試工具有下列特性： ? 設置一個或者多個斷點，在斷點處自動更新窗口； ? 使用 Watch 窗口查看變量； ? 查看和編輯存儲器、寄存器； ? 使用 Probe Point 工具在主機與目標系統(tǒng)間傳輸數(shù)據(jù)流； ? 可對目標系統(tǒng)中的信號繪圖顯示； ? 使用 Profile Point 查看執(zhí) 行統(tǒng)計信息； ? 觀察目標系統(tǒng)中執(zhí)行的反匯編和 C 指令； CCS 還提供 GEL 語言，允許開發(fā)者向 CCS 菜單中增加功能。 2. DSP/BIOS 插件 在軟件開發(fā)的分析階段，傳統(tǒng)的調(diào)試手段對診斷實時系統(tǒng)中的錯綜復雜問題無能為力。 CCS 提供支持實時分析的 DSP/BIOS 插件?？梢杂盟鼇韺崟r跟蹤和監(jiān)視一個 DSP應用程序，同時對實時性能的影響達到最小。 DSP/BIOS API 提供以下實時分析特性。 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 9 ? 程序跟蹤：顯示寫入目標日志的事件，并在程序執(zhí)行過程中反映動態(tài)控制流程； ? 性能監(jiān)測：跟蹤統(tǒng)計目標板資源的使用情況，如處理器負載和 線程時序等； ? 文件流：將目標板上的 I/O對象與主機上的文件聯(lián)系在一起。 DSP/BIOS 同時提供基于優(yōu)先級的調(diào)度方案，支持函數(shù)的周期性執(zhí)行和多優(yōu)先級線程。 3．硬件仿真和實時數(shù)據(jù)交換 TI DSP 芯片提供片上仿真支持，使 CCS 能控制程序的運行并實時監(jiān)視程序的活動。主機與目標 DSP 通信是通過 JTAG 接口來完成的，這種連接方式對 DSP 目 標系統(tǒng)的實時性能沒有太大的影響。仿真器提供與主機通信的 JTAG 口。片上仿真硬件提供以下功能 ： ? 運行、停止、或復位 DSP 芯片。 ? 將代碼和數(shù)據(jù)加載到 DSP 芯片中。 ? 檢查硬件指令或數(shù)據(jù) 相關(guān)的斷點。 ? 各種計算功能，包括精確到指令周期的剖析 （ Profile） 功能。 ? 提供主機和目標系統(tǒng)間的實時數(shù)據(jù)交換。 CCS 支持這些片上的仿真功能，而且 CCS 的 RTDX 功能使主機和 DSP 之間能雙向?qū)崟r通信， RTDX 提供一個連續(xù)的、實時的可視環(huán)境，使開發(fā)者能看到 DSP 應用程序工作的真實過程， RTDX 允許系統(tǒng)開發(fā)工作者在不停止運行目標應用程序的基礎(chǔ)上，在計算機和 DSP 芯片之間傳輸數(shù)據(jù)，同時還可在主機上利用對象鏈接嵌入 （ OLE） 技術(shù)分析和觀察數(shù)據(jù)，這樣可以提供給開發(fā)者一個真實的系統(tǒng)工作過程，從而縮短開發(fā)時間。 系統(tǒng)仿真 當系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和圖像處理算法基本確定后，接下來的主要任務是在 CCS 集成開發(fā)環(huán)境下，選擇好編程語言編寫源程序。對于 TMS320C6713， C代碼的效率是 人 工編寫匯編代碼的 70%～ 80%。且由于是實時性要求不是特別強的應用 ， 采用 C語言編程就完全可以滿足需要。 DSP 程序編寫完成好，需要對程序進行調(diào)試和仿真。主要有兩種模式：軟件仿真和硬件仿真。 軟件仿真就是靠主機上的軟件模擬器 （ Simulator） 完成程序的執(zhí)行，無需目標板（ DSP 處理平臺 ） 就可以開始軟件編程，但仿真速度慢，且無法仿真某些外設 的功能。硬件仿真是利用開發(fā)系統(tǒng)將代碼直接下載到目標板上，在芯片中直接運行，仿真速度快，且仿真結(jié)果與系統(tǒng)實際一致。 本系統(tǒng)中，目標板 （ EVM 板 ） 通過 ICETEK5100USB 仿真器 與主機相連。仿真程序就是利用 USB仿真器 ICETEK5100USB （如圖 4） 將代碼下載到 DSP 芯片中，在芯片上直接運行 。 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 10 圖 4 ICETEK5100USB 仿真器 硬件開發(fā)環(huán)境 數(shù)字信號處理 DSP（ Digital Signal Processing） 簡稱 DSP， 是一門十分重要的新興科 學。 隨著計算機和信息科學的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應運而生并得到迅速的發(fā)展。其中尤以 TI 公司生產(chǎn)的系列 DSP 芯片應用最為廣泛。先后推出 TMS320C202TMS320C5000、 TMS320C6000 系列芯片。 數(shù)據(jù)采集 A/D轉(zhuǎn)換器 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 （ Analog to Digit） 的一般轉(zhuǎn)換過程為 ： 采樣、保持、量化和編碼 采樣要遵循采樣定理 ： fs≥ fmax。式中 fs為采樣頻率， fmax為輸入信號的最高頻率分量的頻率。常用的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC（ AnalogDigit Converter） ，其工 作原理有基于并行比較型的、逐次逼近型的、積分型的、 ∑ △脈寬調(diào)制型的、電壓 V頻率 F變換型的等。 DSP較其它處理器的優(yōu)勢 目前的微處理器分為通用處理器、單片機和 DSP 三大類。 DSP 與單片機及通用微處理器相比具有很大的優(yōu)越性。通用微處理器一般用在 PC 和服務器領(lǐng)域 ， 與單片機相比，DSP具有較高的集成度并具有更快的運行速度， DSP器件比 16 位單片機單指令執(zhí)行時間快 8~10倍，在乘法處理上， DSP 的優(yōu)勢更為明顯，完成一次乘累加運算快 16~30 倍。這一性能決定了 DSP 的應用領(lǐng)域主要集中在較復雜的算法處理 中， DSP 處理器的主要結(jié)構(gòu)特點是： 1．哈佛結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的微處理器通常采用馮諾曼總線結(jié)構(gòu)：統(tǒng)一的程序和數(shù)據(jù)空間，共享的程序和數(shù)據(jù)總線。由于總線的限制，微處理器執(zhí)行指令時，取指和存取操作數(shù)共享內(nèi)部總線，因而程序指令只能串行執(zhí)行。當面對數(shù)據(jù)密集型算法時，會造成傳輸通道上的瓶頸現(xiàn)象。DSP處理器采用的是程序與數(shù)據(jù)總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)，能同時取指和取操作數(shù)，并行處理指令和數(shù)據(jù)，大大提高了程序效率。 2．流水技術(shù) （ Pipeline） 在處理器內(nèi)，計算機執(zhí)行一條指令分為：取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行運算等步驟，需基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 11 要若干個指令周期才能完成。流水技術(shù)可以使 2個或更多不同的操作重疊執(zhí)行。即，第一條指令取指后，譯碼時，第二條指令取指；第一條指令取數(shù)時，第二條指令譯碼，第三條指令取指，……，一次類推，如圖 5所示。 取 指 譯 碼 取 數(shù) 執(zhí) 行取 指 譯 碼 取 數(shù) 執(zhí) 行取 指 譯 碼 取 數(shù) 執(zhí) 行取 指 譯 碼 取 數(shù) 執(zhí) 行 圖 5 流水技術(shù) 流水處理 技術(shù) 使得若干條指令的不同執(zhí)行階段可以并行執(zhí)行，是提高 DSP 程序執(zhí)行效率的另一主要手段。 3．算術(shù)單元 硬件乘法器 在數(shù)字信號處理的算法中，乘法和累加是基本的大 量的運算。往往需要占用 DSP 處理器的絕大部分處理時間。在通用微處理器內(nèi)通過微程序?qū)崿F(xiàn)的乘法操作需要 100 多個時鐘周期，非常費時，因此在 DSP 處理器內(nèi)專門設置了硬件乘法器來完成乘法操作，以提高乘法速度，這也是 DSP區(qū)別于通用微處理器的一個重要標志。 多功能單元 為了進一步提高速度，可以在 CPU 內(nèi)設置多個并行操作的功能單元 （ ALU 乘法器、地址產(chǎn)生器等 ） ，如 TI 的 DM642 系列 DSP 內(nèi)部有 8 個功能單元，包括 2個乘法器和 6個 ALU。這 8個功能單元最多可以在 1 個周期內(nèi)同時執(zhí)行條 32 位指令。由于多功能單元的并行操作使 DSP 在相同的時間內(nèi)能完成更多的操作，因而提高了程序的執(zhí)行速度。 4．專用尋址單元 要達到很高的數(shù)據(jù)處理速度必須要有很高速度的數(shù)據(jù)訪問和傳輸相配合。隨著頻繁的數(shù)據(jù)訪問，數(shù)據(jù)地址的計算時間也線性增長。在通用 CPU 中，數(shù)據(jù)地址的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)的處理都有 ALU 來完成。在 DSP處理器中，則設置了專門的數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器，與 ALU 并行工作，從而節(jié)省了 CPU 的時間，提高了信號處理速度。 5．片內(nèi)存儲器 當面向數(shù)據(jù)密集型應用時，存儲器訪問速度對處理器的性能影響很大?，F(xiàn)代微處理器內(nèi)部一般不設存儲程序的 ROM和存儲數(shù)據(jù)的 RAM，因為處 理器的程序一般都很大，片內(nèi)存儲器不會給處理器性能帶來明顯改善。但 DSP算法的特點是需要大量的簡單計算，相應的程序比較短小，存放在 DSP 片內(nèi)就可以減少指令傳輸時間，并有效緩解芯片外部總線接口的壓力。 DSP 上述這些特點，使其在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。 TMS320C6713芯片介紹 DSP 處理器比較有代表性的產(chǎn)品是 TI（ Texas Instruments，德州儀器）的 TMS320基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 12 系列和 Motorola 的 DSP56000 系列。本文 采用的是 TMS320C6713， TMS320C6713 DSP 是美國 TI于 1997 年推出的 C6000 系列 DSP芯片的一款 ， 是迄今為止德州公司推出的最快的浮點處理器，其主頻可達 200MHz，這就為需要高 精度和快速處理的應用打下了一個堅實的基礎(chǔ)。其次 TMS320C6713 芯片是 TMS320C6000 系列的首款采用表面貼裝的芯片，封裝的修改，將大幅度降低生產(chǎn)、維護和開發(fā)中的難度，加快產(chǎn)品的市場化速度。 結(jié)構(gòu)圖如圖 6 所示： 圖 6 TMS320C6713結(jié)構(gòu)圖 TMS320C6713 基本性能 ： ? 支持 VLIW 超長指令字 ， 8個獨立的功能單元 ： 2ALUs（ 定點 ） ； 4ALUs（ 定點或者 點 ） ； 2 乘法器 （ 定點或浮點 ） ； ? 支持單精度和雙精度指令 ； 8 位防溢出保護 ； 飽和模式 ； ? L1/L2 存儲器結(jié)構(gòu) ： ? 4K 字節(jié) L1P 程序 Cache（ 直接映射 ） ； ? 4K 字節(jié) L1D 數(shù)據(jù) Cache（ 2路徑 ） ； ? 256K 字節(jié)的 L2 存儲器 ： 64K 字節(jié)可以做 2 級 Cache 使用 ， 192K 可以做內(nèi)部 RAM 使用 ， 同時 256K 都做內(nèi)部 RAM也是可以的 ； ? 器件配置方式有 8 16 32的 ROM 配置 ， HPI 配置端模式是大端和小端 ， 一般基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 13 場合使用小端模式 ； ? QFP 封裝的 6713EMIF 接口 16bit， 可以 無縫 SDAM， EEPROM， FLASH， SDRAM， SBRAM. 512M 的地址總線空間 ； ? 擴展的直接存儲器存取控制器 （ EDMA） ； ? 16 位主機 （ HPI） 接口 ； ? 2 個多通道音頻串行口 （ McASPs） ； 2 個 MCBSP 接口 ； ? 2 個 I2C 接口 （ I2C1 跟 MCBSP 接口復用 ） ； ? 2 個 32 位的定時器 ； ? 16 個 GPIO（ 復用 ） 。 USB 芯片介紹 主流芯片的分類 現(xiàn)在的 USB 生產(chǎn)廠商很多，幾乎所有的硬件廠商都有 USB 的產(chǎn)品。 USB 控制器一般有兩種類型 ： 一種是 MCU 集成在 芯片里面的，如 Intel的 SX93OAX， CYPRESS 的 EZUSB，SI