高速DSP擴(kuò)展低速接口的實(shí)現(xiàn)方法

1、高速DSP擴(kuò)展低速接口的實(shí)現(xiàn)方法        摘要：根據(jù)電視監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目中存在的高速DSP器件與低速器件接 口的時(shí)序不匹配問題，提出了采用高速DSP的SPI口串行通訊和GPIO并行通訊，解決高速DSP 與單片機(jī)及PC機(jī)之間的接口問題，并給出了通過這種方法擴(kuò)展鍵盤和LED顯示器的例子和擴(kuò) 展PC機(jī)通訊的例子。關(guān)鍵詞：DSP；TMS320C6713；SPI；GPIO 1引言隨著電子技術(shù)迅速發(fā)展，在電視監(jiān)控領(lǐng)域中，音視頻圖像信息的傳輸將逐步轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)傳輸方 式。這需要對(duì)模擬的音視頻圖像信號(hào)進(jìn)行壓縮和轉(zhuǎn)換，這種處理必須

2、采用高速的處理器件， 以前最常見的辦法是采用專用的高速壓縮處理器件，而現(xiàn)在高速DSP發(fā)展很快，最高計(jì)算速 度達(dá)到3 000 M/s，已經(jīng)能夠直接進(jìn)行音視頻圖像信號(hào)的壓縮和轉(zhuǎn)換。這種基于DSP的音視頻 圖 像信號(hào)的壓縮和轉(zhuǎn)換方案具有可以便捷升級(jí)的特點(diǎn)，一旦產(chǎn)品功能或是算法標(biāo)準(zhǔn)有進(jìn)步，只 需要升級(jí)程序即可，可以減少硬件設(shè)計(jì)工作量，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，同時(shí)可以保護(hù)客戶的投 資，因此這將是今后發(fā)展的方向。在實(shí)際的裝置中，除了需要用高速DSP對(duì)音視頻圖像信號(hào)進(jìn)行壓縮和轉(zhuǎn)換外，還需要一些輔 助的功能，例如鍵盤控制、LED狀態(tài)信息顯示以及對(duì)云臺(tái)鏡頭等的控制。這些事務(wù)性工作的 處理量不大，但是需要消耗很多時(shí)間，

3、一般采用單片機(jī)更合適。因此高速DSP與低速器件 的接口問題成為了主要問題，即如何解決高速DSP與單片機(jī)接口是主要的研究任務(wù)。本文以TI公司的TMS320C6713高速DSP為例，提出2種解決辦法：(1)將高速DSP的緩沖串口配置為SPI口，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)接口的方案。(2)將單片機(jī)與高速DSP的GPIO并行接口連接的辦法，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)接口的方案。這兩種方案都僅僅需要DSP或是單片機(jī)按照規(guī)定的模式編程，避免了多CPU之間的協(xié)同工作問 題，便于程序編制。這2種方案可以適用于幾乎所有TI公司DSP器件（TMS320C2xxx不需要這樣做）。 2TMS320C6713簡介TMS320C6713是TI公司生

4、產(chǎn)的一種高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），他采用先進(jìn)的超長指令 (VL IW) TMS320C67xTM DSP內(nèi)核，理論上每時(shí)鐘周期可以執(zhí)行8條32 b指令，實(shí)際上可以 做到每時(shí)鐘周期可以執(zhí)行6條32 b指令。最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到300 MHz，指令周期最小 3.3 ns；最高運(yùn)算速度：2 400/1 800MIPs/MFLOPs。為了加快處理速度，DSP內(nèi)核采用2級(jí)CACH E，其中L1級(jí)CACHE由4 kB直接程序CACHE和4 kB數(shù)據(jù)CACHE（分為2路）；L2級(jí)CACHE分為64 k B統(tǒng)一存儲(chǔ)器和192 kB附加存儲(chǔ)器。芯片內(nèi)部有16通道EDMA控制器，能夠高速處理幾乎 所有I /O

5、和存儲(chǔ)器的接口問題，能夠大大提高芯片吞吐速度。外部總的存儲(chǔ)器地址空間最大512 MB，數(shù)據(jù)寬度為32 b，可以支持SBRAM，SDRAM，SRAM，F(xiàn)ALSH和EPROM。TMS320C6713與外 部I/O接口可以通過FFA構(gòu)造的I/O端口、HPI口、多緩沖串口(McBSP)、SPI口、I2C口等幾 種主要方式。TMS320C6713的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。 3采用SPI接口擴(kuò)展外部低速接口SPI接口是TMS320C6713的多緩沖串口的一種用法。多緩沖串口McBSP中的傳輸時(shí)鐘 具有停止模式控制選項(xiàng)，這就保證了McBSP與SPI協(xié)議的兼容性。SPI接口是一種4根信號(hào)線的接口協(xié)議，包含串行數(shù)據(jù)

6、輸入（MISO）、串行信號(hào)輸出 （MOSI） 、移位時(shí)鐘（SCK）和從設(shè)備使能（SS）信號(hào)。SPI是由主設(shè)備時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的傳輸過程， 在從設(shè)備使能的情況下，主設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器與從設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器構(gòu)成一個(gè)環(huán)形 寄存器，在主設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)控制下，主設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器依次傳入從設(shè)備的數(shù)據(jù)寄存 器中，而與此同時(shí)，從設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)依次傳入主設(shè)備的數(shù)據(jù)寄存器中。在這 個(gè)通訊過程中，完全由主設(shè)備的時(shí)鐘控制傳輸速度。TMS320C6713的SPI接口既支持主設(shè)備模式，也支持從設(shè)備模式。TMS320C6713用SPI作為主控端時(shí)，由McBSP內(nèi)部的采樣時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)鐘CLKx和從設(shè)備使

7、能信號(hào)SS，如圖2所示。 這時(shí)的主時(shí)鐘頻率由SRGR寄存器中的CLKSM位來選擇時(shí)鐘源，由CLKG DV設(shè)置時(shí)鐘的頻率。這時(shí)的時(shí)鐘頻率需要受到從設(shè)備的最高接收時(shí)鐘的限制，一般帶SPI接 口的單片機(jī)SPI口的最高速度低于4 Mb/s，因此需要使用較低的通訊速率，例如2 Mb/s。TMS320C6713的McBSP串口作為SPI接口時(shí),需要進(jìn)行初始化。其時(shí)序如圖3所示。  在實(shí)際通訊中，若DSP的McBSP作為SPI的主設(shè)備，則需要分兩次向單片機(jī)發(fā)命令，首先發(fā)控 制命令，然后再發(fā)取數(shù)命令，便于單片機(jī)有足夠的時(shí)間響應(yīng)命令。McBSP作為主設(shè)備定時(shí)的 時(shí)序如圖4所示。單片機(jī)平時(shí)按照DSP的命

8、令顯示數(shù)據(jù)，并執(zhí)行鍵盤控制功能，若收到DSP的 命令，則立即停止當(dāng)前的工作，快速響應(yīng)DSP的命令，減少DSP的等待時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，為了控制傳輸速度，需要設(shè)置CLKx的時(shí)鐘源取自CPU時(shí)鐘，并且CLKGDV=95或 是更大。由于分頻后的時(shí)鐘占空比為50%，這樣高電平寬度=低電平寬度。這樣CLKx時(shí)鐘周期 T為： T=(1+CLKGDV)×P(1)其中P是CPU時(shí)鐘周期。若CPU取200 MHz，則P=5 ns，這時(shí)CLKGDV=95，則T=480 ns，相應(yīng)的位傳輸速度為2.1 Mb/s，這是一個(gè)較低的速度。由于CLKGDV取值范圍在0255 之間，這時(shí)SPI的傳輸速度可以在0.7

9、8200 Mb/s之間變化。另外，還需要注意，DSP的McBSP接口的電壓在3.3 VDC，而外部單片機(jī)一般在5 VDC左 右，需要考慮適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換接口，例如SN54LVT16373。若是擴(kuò)展鍵盤、LED顯示器等低速外部接口，可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，若是構(gòu)造RS232接口與PC 機(jī)通訊時(shí)，可以采用MAX3100接口。DSP通過MAX3100與PC機(jī)或其他設(shè)備之間的異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑砣鐖D5所示。由于DSP的接口電 源為3.3 VDC，而MAX3100也可以工作在3.3 VDC，因此可以直接接口，這是需要采用 一款 可以工作于3.3 VDC的RS232接口芯片，SP3232可以工作在3.3 VDC，

10、接口電平符合設(shè)計(jì)要 求。 MAX3100工作前需要做初始化。在用MAX3100構(gòu)成RS232接口，與PC機(jī)之間異步數(shù)據(jù)傳 輸時(shí)， 一般采用8 b模式，不傳校驗(yàn)位，通訊速度取9 600115.2 kb/s，接收FIFO打開，部分中 斷打開。當(dāng)對(duì)MAX3100初始化后，MAX3100的UART發(fā)送部分接收SPI數(shù)據(jù)，按照配置參數(shù)，加 上起始位和停止位，并按要求的波特率通過TX按異步串行發(fā)送出去，當(dāng)發(fā)送緩沖器空后，可 以產(chǎn)生中斷；MAX3100的UART接收部分按照配置參數(shù)，以16倍波特率時(shí)鐘采樣接收端，若發(fā) 現(xiàn)接收端由高變低作為起始位，然后繼續(xù)以16倍波特率時(shí)鐘采樣接收端，按第7，8，9次的 結(jié)果

11、確定數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)置參數(shù)，每字節(jié)讀取79位數(shù)據(jù)，最后根據(jù)停止位停止。MAX3100 的接收數(shù)據(jù)進(jìn)入接收FIFO中，若達(dá)到8 B可以產(chǎn)生中斷，便于DSP快速獲取數(shù)據(jù)。 4GPIO接口擴(kuò)展低速外圍接口TMS320C6713的通用IO（GPIO）共有16個(gè)，可以用指令直接控制輸入和輸出。GPIO由通用IO 使能寄存器GPEN（GPIO Enable Register）和通用IO方向寄存器GPDIR（GPIO Direction Re gister）控制。使用GPIO前需要對(duì)通用IO使能寄存器GPEN和通用IO方向寄存器GPDIR初始化 。對(duì)GPIO的控制是通過對(duì)GPIO的數(shù)值寄存器GPVAL的讀寫實(shí)

12、現(xiàn)的。一旦設(shè)置好GPEN寄存器和GPD IR寄存器，DSP就可以直接利用GPIO控制外圍的低速IO接口了。但是這樣操作需要DSP用軟件 搜索來實(shí)現(xiàn)IO控制，DSP的開銷太大，特別是對(duì)鍵盤、LED等需要經(jīng)常操作的低速接口更是如 此。解決辦法是增加一片89S52單片機(jī)(見圖6)。這時(shí)可以將16個(gè)GPIO口分為8 b數(shù)據(jù)線和必 要的2根聯(lián)絡(luò)線。鍵盤和LED顯示可以用單片機(jī)來控制，僅僅需要DSP將需要顯示的數(shù)據(jù)通過 接口傳給單片機(jī)，或是單片機(jī)將鍵盤數(shù)據(jù)傳送給DSP，這樣DSP的負(fù)擔(dān)大大降低。在單片機(jī)一 側(cè)，可以用中斷實(shí)現(xiàn)快速接口，而DSP這一側(cè)目前仍然采用搜索/等待的辦法，對(duì)需要高速計(jì) 算的DSP來說

13、，接口負(fù)擔(dān)仍然較重。 為了降低DSP用GPIO控制外設(shè)的開銷，TMS320C6713專門針對(duì)GPIO設(shè)計(jì)了中斷和EDMA，如圖 7所示。 在GPIO中，僅僅GPIO 0和GPIO 47具有中斷功能，同時(shí)所有GPIO都有EDMA功能。 這可以通過對(duì)GPIO相應(yīng)寄存器設(shè)置實(shí)現(xiàn)。由于采用簡單的接口設(shè)計(jì)，因此DSP的GPIO采用中 斷 方式更簡單一些，對(duì)高速數(shù)據(jù)計(jì)算影響也不是很大。將DSP與單片機(jī)的通訊協(xié)議設(shè)計(jì)為：幀頭： 8位特殊字符；命令： 8位字符；幀長度： 8位字符；數(shù)據(jù)1： 8位字符；數(shù)據(jù) N： 8位字符；CRC校驗(yàn)： 8位字符。在實(shí)際通訊中，當(dāng)DSP向單片機(jī)發(fā)命令時(shí)，先發(fā)數(shù)據(jù)，然后發(fā)字節(jié)同步信號(hào)到單片機(jī)的INT0 腳（中斷），這樣單片機(jī)采用中斷方式快速接收處理。規(guī)定通訊間隙為110 ms，這樣 對(duì)兩 者的要求都不高。一旦啟動(dòng)一幀通訊后，在DSP內(nèi)部采用定時(shí)器的EDMA實(shí)現(xiàn)定時(shí)發(fā)送，不必 再消耗DSP的資源。在單片機(jī)向DSP發(fā)命令時(shí)，單片機(jī)先發(fā)數(shù)據(jù)，然后發(fā)字節(jié)同步信號(hào)到DSP