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1、.1 绪 论1.1 课题研究背景从20世纪80年代第一片数字信号处理器(DSP: Digital Signal Processor)芯片诞生以来，DSP就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成、尤其是可编程性和易于实现自适应处理等特点，给数字信号处理技术的发展带来巨大的机遇，使得信号处理手段更加灵活，功能更加强大。伴随着微电子技术、数字信号处理技术的快速发展，数字信号处理器逐渐得到了日新月异的进步，在处理速度、运算精度、处理器的结构、指令系统、指令编程等诸多方面都有较大的提高。DSP己经渗透到消费、军用、民用、商业等各个领域，以及人们生活的方方面面，成为许多电子系统的技术核心。目前，D
2、SP产品正向高性能、低功耗、多功能、多领域等方向发展。在当今众多DSP生产厂家的中，最成功的当数美国德州仪器公司(Texas Instruments简称TI)的一系列产品，其DSP市场份额占全世界份额近50%。目前TI公司的DSP产品中，C1x、C2x、C2xx、C5xx、C54x、C62x等系列是定点运算指令系统的DSPS(数字信号处理解决方案)； C3x、C4x、C67x等系列是浮点运算指令系统的DSPS； C8x等系列是多DSPS集成系统； AV7100、AV7110等系列是用于视频、音频领域的专用数字压缩产品。DSP作为可编程数字信号处理专用芯片是微型计算机发展的一个重要分支，是一种特
3、殊结构的微处理器。为了快速进行数字信号处理，DSP芯片还采用特殊的软硬件结构。总的来说，DSP器件的发展，要兼顾3P的因素，即性能(performance)、功耗(power consumption)和价格(price)。随着VLSI技术的高速发展，现代DSP器件在价格显著下降的同时，仍然保持着性能的不断提升和单位运算量的功耗不断降低。通过下面两种方法实现：(1) 是通过并行提升DSP芯片的性能传统的DSP芯片通过采用乘加单元和改进的哈佛结构，使其运算能力大大超越了传统的微处理器。一个合理的推论是：通过增加片上运算单元的个数以及相应的连接这些运算单元的总线数目，就可以成倍地提升芯片的总体运算能
4、力。当然，这个推论有两个前提条件必须满足：首先是存储器的带宽必须能够满足由于总线数目增加所带来的数据吞吐量的提高；另外，多个功单元并行工作所涉及的调度算法其复杂度必须是可实现的。(2) 存储器构架的变化随着芯片主频的不断攀升，存储器的访问速度日益成为系统性能提升的瓶颈。在现有的制造工艺下，片上存储单元的增加将导致数据线负载电容的增加，影响到数据线上信号的开关时间，这意味着片上高速存储单元的增加将是十分有限的。为了解决存储器速度与CPU内核速度不匹配的问题，高性能的CPU普遍采用Cache(高速缓存)机制，新的DSP芯片也开始采用这种结构。在很多情况下，采用这种多级缓存的架构可以达到采用完全片上
5、存储器结构的系统约80的执行效率。但是，采用Cache机制也在一定程度上增加了系统执行时间的不确定性，其对于实时系统的影响需要认真地评估分析。Cache对于DSP芯片还是一个比较新的概念。所以需要深入地了解Cache的机制，相应地对算法的数据结构、处理流程以及程序结构等做出调整，以提高Cache的命中率，从而更有效地发挥Cache的作用。 (3) SoC的趋势对于特定的终端应用，SoC(系统芯片)可以兼顾体积、功耗和成本等诸多因素，因而逐渐成为芯片设计的主流。DSP器件也逐渐从传统的通用型处理器中分离出更多的直接面向特定应用的SoC器件。这些SoC器件多采用DSP+ARM的双核结构，既可以满足
6、核心算法的实现需求，又能够满足网络传输和用户界面等需求。同时，越来越多的专用接口以及协处理器被集成到芯片中用户只需添加极少的外部芯片，即可构成一个完整的应用系统。如TI推出的面向第3代无线通信终端的OMAP1510芯片等，面向数码相机的DM270芯片等，面向专业音频设备的DA610芯片等，面向媒体处理的DM642芯片等。1.2 TI系DSP芯片现状TI首席战略科学家Gene AFrantz在北京的TI亚洲开发者大会上宣布：“DSP的应用才刚刚开始，未来将遍及我们生活的各个角落”。认为DSP在消费电子(例如语音识别)与医学领域还有巨大的发展潜力。3G技术和Internet的快速发展，要求处理器的
7、速度越来越高，体积越来越小，DSP的发展正好能满足这一发展的要求。因为传统的其它处理器都有不同的缺陷：MCU的速度较慢；CPU体积较大，功耗较高；嵌入CPU的成本较高。DSP的发展，使得在许多速度要求较高，算法较复杂的场合，取代MCU或其它处理器，而成本有可能更低。下面介绍说明DSP的发展动态(1) TMS320C2000系列包括C24x和C28x系列。TI建议使用LF24xx系列替代C24x系列。因为LF24xx系列的价格比C24x便宜，性能高于C24x，而且LF24xx具有加密功能。而C28x系列主要用于大存储设备管理，高性能的控制场合。(2) TMS320C3x系列包括C3x和VC33，
8、主要推荐使用VC33。C3x系列是TI浮点DSP的基础, 目前TI已而对其限产。(3) TMS320C5x系列已不推荐使用，建议使用C24x或C5000系列替代。(4) TMS320C5000系列包括C54x和C55x系列。其中VC54xx还不断有新的器件出现，如： TMS320VC547（1DSPARM7）。C55x系列功耗为VC54xx的1/6，性能为VC54xx的5倍，是一个正在发展的系列。C5000系列是目前TI DSP的主流DSP，它涵盖了从低档到中高档的应用领域，也是目前用户最多的系列，在本次设计中，我选用的就是C54xx系列的 TMS320VC5416数字信号处理芯片。(5) T
9、MS320C6000系列包括C62xx、C67xx和C64xx。此系列是TI的高档DSP系列。其中C62xx系列是定点的DSP，系列芯片种类较丰富，是主要的应用系列。C67xx系列是浮点的DSP，用于需要高速浮点处理的领域。C64xx系列是新发展，性能是C62xx的10倍。(6) TMS320C8x系列包括C80和C82，是TI公司推出的第一款多处理器芯片，而且第一次使用VLIW结构(指令级的平行度)，目前亦为限产阶段。(7) OMAP系列是TI专门用于多媒体领域的芯片，它是C55ARM9，性能卓越，非常适合于手持设备、Internet终端等多媒体应用。随着技术的进步,在DSP领域会出现一些新
10、的概念,比如DSP核的概念, DSP核不是一个独立的产品,而是DSP芯片上的运算引擎,用户可以在芯核的基础上,扩展外围电路,开发出完整的DSP器件。DSP以芯核的方式进入市场,这样我们就可以根据自己的需求设计DSP,适用性强,而且减少了浪费。随着DSP器件的发展，DSP系统开发的主要工作已经转向软件开发，软件开发将占据约80的工作量。另外，在目前的现状条件下，算法是核心知识产权的主要体现，也是产品竞争力的主要因素。所以算法绝对是今后DSP应用的核心。而做硬件的最终目的是不做硬件，DSP器件是DSP算法实现的重要手段，只有了解硬件系统的设计，才可以更好的进行软件的开发。DSP技术的发展渐趋成熟,
11、DSP的应用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是电子工业走向高技术密集型的一条重要途径，因此学习和研究相关知识是很重要的。1.3 本论文研究内容本课题是基于GPS数据解调的硬件系统平台的基本方案设计（电源设计、时钟设计、复位电路设计、串口设计、DSP存储器和I/O口的扩展键盘及显示器等）及总体方案设计，最终基于TMS320C5416的GPS解调器硬件平台得以实现。具体论文结构如下：第一章主要描述了DSP的国内外发展现状。第二章介绍了C54xx系列芯片的基本特点，主要对TMS320VC5416的结构特点做了详细的描述。最后介绍了在硬件调试中必须要用到的开发工具CC
12、S和所要解调的GPS数据格式。第三章是描述一个硬件系统应如何设计和实现，首先是要明确做的内容，其次，根据课题制定硬件总体方案，既搭建了实现GPS解调的硬件平台。第四章是DSP的基本电路（仿真口、复位电路、时钟、电源电路）的电路设计实现。第五章是对DSP的关键模块的芯片选型及电路设计原理及接口电路实现，包括存储器扩展模块、可编程逻辑器件、I/O扩展模块（键盘和显示器）。第六章是介绍DSP和PC机的串行通信电路的原理设计和接口电路实现，之后介绍了三种串行通信方式的方案设计及实现原理，综合比较之后得到的最佳方案，即通过UART芯片实现和PC 机的异步串行通信实现。第七章则是前期工作总结和后期工作展望
13、，首先是介绍完成的工作和学到的知识，最后就是对本次课题后期可以扩展的功能做了简单的描述。2 DSP与GPS概述2.1 TMS320C54x系列芯片特点TMS320C54x是TI公司1996年推出的新一代16位定点DSP产品,它采用先进的哈佛结构,片内集成8条总线(1条程序存储器总线、3条数据存储器总线和4条地址总线)、在片存储器和在片复用外设。速度由30532MIPS不等。是为实现低功耗、高性能而设计的定点DSP芯片，该系列芯片的内部结构（图2.1）及指令系统都是全新设计的，它的主要特点如下:(1) 运算速度快。VC5416指令周期为6.25ns。(2) 优化的CPU结构。它内部有1个40位的
14、算术逻辑单元，2个独立的40位的累加器，1个17x17的乘法器和1个40位的桶形移位器，4条内部总线和2个地址产生器。另外，内部还集成了维特比译码器，用于提高维特比编译码的速度。(3) 低功耗方式。TMS320C5x的主要特点是低功耗，可以在3.3V或2.7V工作，有三中种低功耗方式:IDLE1、IDLE2、IDLE3，可以节省DSP的功耗。(4) 智能外设。除了标准的串行口和时分复用(TDM)串行口外，还提供了自动缓冲串行口BSP(auto-Buffered Serial Port)和与外部处理器通信的HPI(Host Port Interface)接口。BSP可提供2K字数据缓冲的读写能力
15、，降低处理器的额外开销，当指令周期是6.25ns时，BSP的最大数据吞吐量为160Mbit/S，即使在IDLE方式下，BSP也可以全速工作。而且HPI可以与外部标准的微处理器直接接口。图2.1 TMS320C54x的内部结构框图TMS320VC5416（在后面的介绍均使用简称VC5416）处理器在本系列中处于先进水平。它具有运算速度快，内部存储空间大，外部接口性能好等优点。所以设计种选择了技术上比较先进，价格又较便宜的VC5416作为硬件开发对象。下面我结合VC5416的实际情况，简单介绍该芯片的体系结构。 2.2 TMS320VC5416的体系结构图2.1 TMS320VC5416的引脚图V
16、C5416共有144个引脚，其中有23 根地址线A0A22，16根数据线D0D15，4个外部可屏蔽引脚INT0INT3和一个不可屏蔽中断引脚BIO叫，剩下的引脚则分成以下几类：存储器控制引脚，时钟/晶振引脚，多通道缓冲串口引脚，主机接口通讯引脚，电源引脚，初始化和复位引脚，通用输入/输出引脚，以及用于测试的IEEE1149.1标准JTAG口（IEEE1149.1 对JTAG接口标准作了修正, 为5线接口。在片JTAG接口为用户对DSP 的仿真提供了更便捷的串行工作方式。）。和通用的微处理器相比，DSP芯片的硬件资源主要用于DSP的处理功能，因此I/O引脚数相对较小（各引脚的具体定义在附录英文翻译之中）。一：总线结构VC5416体系结构由8条主要的1
