TMS320LF240x DSP控制器的應用實踐

1 TMS320LF240X DSP硬件結構特點
TMS320LF240x DSP有以下一些特點：采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3．3V，減少了功耗；基于TMS320C2xxDSP的CPU核，保證與TMS320系列DSP代碼兼容；片內(nèi)有高達32K字的Flash程序存儲器，544字的雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)；兩個事件管理器模塊EVA和EVB，適用于控制各類電機；看門狗定時器模塊(WDT)；控制器局域網(wǎng)絡(CAN)2．0B模塊；串行通信接口(SCI)模塊；16位的串行外設接口(SPI)模塊；JTAG接口，使得在系統(tǒng)編程(ISP，)很容易實現(xiàn)；10位A／D轉換器最小的轉換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)2個8通道輸入A／D轉換器或1個16通道輸入A／D轉換器，而每次要轉換的通道都可通過編程來選擇。需要說明的是，TMS320LF240x DSF是定點l6位芯片，存儲數(shù)據(jù)的最小單位是16位的字，每個地址(包括程序地址、數(shù)據(jù)地址及I／O地址)所存的數(shù)據(jù)都是16位。
1．1 改進的哈佛結構和流水線操作
DSP采用程序空間和數(shù)據(jù)空間完全分開的哈佛(Havard)結構，允許同時取指令和操作數(shù)，而且允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間相互傳遞數(shù)據(jù)，即改進的哈佛結構。TMS320LF240x DSP的cPu核心具有獨立的內(nèi)部數(shù)據(jù)和程序總線結構。數(shù)據(jù)和程序總線分為6條l6位的總線，分別為：PAB，程序地址總線，為讀寫程序空間提供地址；DRAB，數(shù)據(jù)讀地址總線，為讀數(shù)據(jù)空間提地址；DWAB，數(shù)據(jù)寫地址總線，為寫數(shù)據(jù)空間提供地址；PRDB，從程序空間向c．PU傳送代碼、立即操作數(shù)和表信息的程序讀總線；DRDB，從數(shù)據(jù)空間向中央算術邏輯單元(CALU)和輔助寄存器算術單元(ARAU)傳送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀總線；DWEB，可以傳送數(shù)據(jù)到程序空間和數(shù)據(jù)空間的數(shù)據(jù)寫總線。數(shù)據(jù)讀地址總線(DRAB)和數(shù)據(jù)寫地址總線(DWAB)是相互獨立的地址總線，CPU 在相同的機器周期內(nèi)可以同時進行數(shù)據(jù)讀寫操作。
TMS320LF240x DSP流水線具有四個獨立的階段：取指令、指令譯碼、取操作數(shù)以及指令執(zhí)行。一般情況下，取指令占用PAB和PRDB；指令譯碼不占用任何程序和數(shù)據(jù)總線；取操作數(shù)占用DRAB和DRDB；指令執(zhí)行包括將執(zhí)行結果寫回數(shù)據(jù)存儲器，將占用DWAB和DWEB?？梢姡琓MS320LF240x DSP獨特的總線結構大大減少了流水線沖突，極大提高了指令的運行速度。
1. 2事件管理器模塊
事件管理器模塊提供了許多適用于運動控制和電機控制的功能。每個240x器件都包括兩個事件管理器模塊：EVA和EVB。每個事件管理器模塊包括兩個16位69通用定時器、比較單元、捕獲單元、8個16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道以及正交編碼脈沖輸入電路。它們能夠實現(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時導通而引起短路。事件管理器模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機以及逆變器。

2 C0FF目標文件
TI公司匯編器所創(chuàng)建的目標文件采用的是一種稱為COFF(Common Object File Format)的文件格式，即共同目標文件格式。目的是提高編程和程序執(zhí)行的效率，同時也有利于使用TI公司的BIOS(Basic Input Output System)。
COFF文件格式的核心概念就是使用代碼段、數(shù)據(jù)段編程，而不是指令或數(shù)據(jù)簡單的順序編寫。代碼段和數(shù)據(jù)段的概念不僅是現(xiàn)代軟件編制的重要技術概念，同時也是嵌入式系統(tǒng)的重要編程技術。使用這種技術的優(yōu)點是：程序具有良好的可讀性；程序具有良好的可移植性；能與系統(tǒng)存儲單元充分配合。
在COFF目標文件中，段(section)是其最小的單位。所謂“段”就是最終在TMS320 DSP的存儲器映像中占據(jù)連續(xù)空間的一塊代碼或數(shù)據(jù)。這些段在目標文件中是相互獨立的。由于大多數(shù)系統(tǒng)都包含有不同類型的存儲器(ROM、RAM、EEPROM)，所以使用段可使用戶更有效地利用目標存儲器；所有段都能夠獨立進行重定位，因此可以將不同的段分配至不同類型的存儲器中去。
通常，一個COFF目標文件中都包含三個缺省段：text段(通常包含可執(zhí)行代碼)、．data段(通常包含已初始化數(shù)據(jù))和．bss段(通常為未初始化的數(shù)據(jù)保留所需的空間)。除了這三個缺省的段之外，編程人員可使用匯編器指示符(.sect和usect)自定義段。
TMS320LF240x DSP C編譯器產(chǎn)生可重定位的數(shù)據(jù)段和代碼段。這些段以不同方式分配到內(nèi)存中，以滿足不同的系統(tǒng)配置。編譯器創(chuàng)建兩種基本的段：初始化段和未初始化段。
初始化段包括數(shù)據(jù)表和可執(zhí)行代碼。C編譯器創(chuàng)建下初始化段：
◆.text段一包含所有的可執(zhí)行代碼和浮點常數(shù)；
◆.cinlt段一包含用于初始化全局變量和靜態(tài)變量的表：
◆.const段一包含字符常量以及用關鍵字const聲明的全局和靜態(tài)變量：
◆.switch段一包含switch語句的跳轉表。
未初始化段在內(nèi)存(通常是RAM)中保留空間。程序在運行時用這些空間創(chuàng)建和保存變量。編譯器創(chuàng)建以下未初始化段：
◆．bss段一為全局變量和靜態(tài)變量保存空間，在程序開始運行時，C初始化boot程序將數(shù)據(jù)從．Clnlt拷貝到bss段中；
◆．stack段――為系統(tǒng)堆棧分配存儲空間，用于將變量傳遞至函數(shù)以及為局部變量分配空間；
◆.system段一為動態(tài)內(nèi)存分配保留空間，為動態(tài)存儲函數(shù)malloc、callo和realloc分配存儲空間。當然，若C程序沒有用到這些函數(shù)，那么編譯器就不用創(chuàng)建system段了。

3 C程序運行環(huán)境
TMS320LF240x DSP提供兩種編程語言：匯編語言和C語言。如果源程序為C語言，需調(diào)用TMS320LF240x DSP的C編譯器將其編譯成匯編語言，然后送匯編器進行匯編。匯編后產(chǎn)生COFF格式的目標文件，再用鏈接器進行鏈接(鏈接過程包括將編譯器的運行支持庫相關代碼鏈接進來以及代碼段和數(shù)據(jù)段的重定位)，生成在TMS320LF240x DSP上可執(zhí)行的COFF格式的目標代碼(如有必要，可使用目標代碼格式轉換工具)，并調(diào)用下載程序將目標代碼下載到目標芯片上。
TMS32OC2xx DSP(當然包括TMS320LF240x DSP)C語言編譯器包含兩個庫：rts2xx．1ib和rts.src。
(1)rts2xx.Ii b
rts2xx.1ib運行支持目標庫。具有COFF文件格式。運行支持目標庫(即rts2xx1ib)是由rts.src中的C和匯編源程序通過編譯和匯編而得到的。rts2xx lib包含三部分內(nèi)容：ANSI C標準庫、系統(tǒng)啟動程序c int00、允許C訪問特殊指令的函數(shù)和宏。
鏈接程序時，必須指明具體的目標庫并把該庫作為鏈接輸入文件之一，這樣對目標庫所包含的運行支持函數(shù)的引用就得到了解決。鏈接運行目標庫時，鏈接器只是將目標庫中被引用部分加進目標文件。這里所說的目標庫指的就是rts2xx.lib。由于運行支持函數(shù)符合函數(shù)調(diào)用規(guī)約，可以直接被C訪問。
(2)rts.src
rts.src運行支持源文件庫，由c和匯編源程序組成，可在集成開發(fā)環(huán)境(CCS)下打開，任何一個運行支持函數(shù)的源代碼都可以在rts.src找到。
rts.src中包含有用匯編語言編寫的算術程序。由于這些函數(shù)的特殊調(diào)用規(guī)約，它們不能從C中被訪問：但可以對它們作擴展或修改以作為自己的程序。只要修改后的程序遵循函數(shù)特定的調(diào)用規(guī)約和保護規(guī)約，它們就可以被C直接訪問。
算術程序中包含浮點運算函數(shù)。浮點數(shù)采用IEEE754單精度浮點數(shù)格式為

浮點數(shù)由3部分組成，即符號位(“S”)、指數(shù)和尾數(shù)。指數(shù)是有+127偏置的無符號整數(shù)。一個浮點數(shù)占有32位，占用TMS320LF240x DSP兩個字的空間。32位規(guī)格化數(shù)的值由值(規(guī)格化)=(-1)3l.尾數(shù)2(指數(shù)-127)給出。這樣，浮點數(shù)O.5的單精度浮點數(shù)為3F000000h，格式為

例如，源庫rts.src中的匯編函數(shù)F$$ITOF是將16位有符號整形數(shù)轉換為浮點數(shù)，只要在匯編程序中加入“ref F$$ITOF”指令，即可直接調(diào)用該函數(shù)。查看F$$ITOF函數(shù)的說明文檔可知，該函數(shù)不遵循C子程序調(diào)用規(guī)約，所以它不能直接被C調(diào)用。
下面介紹C程序的系統(tǒng)初始化。
在運行C程序之前，必須創(chuàng)建C運行環(huán)境。這個程序由C引導程序使用名為c_intO的函數(shù)來執(zhí)行。運行支持源庫(rts.src)在名為boot.asm的模塊中包含這個程序的源程序。c_intO執(zhí)行如下初始化C環(huán)境的任務：
①為系統(tǒng)堆棧定義一個名為stack的段，并設置初始化指針；
②初始化全局變量，將．Clnlt段中的初始化表中的數(shù)據(jù)復制到bss段中；
③調(diào)用函數(shù)main來運行C程序。
運行堆棧(即.stack段)被分配在存儲器的一個連續(xù)塊中，并且從低地址向高地址增加。寄存器ARl通常指向堆棧中下一個可獲得的字(堆棧頂加一個字)。代碼不會檢查運行時堆棧是否會溢出，因此要確保分配給堆棧足夠的空間。
有些全局變量在C程序開始運行前必須賦初值，檢索這些變量的數(shù)值并用數(shù)值將它們初始化的過程成為自動初始化。編譯器在名為．clnlt(該段位于程序空間)的特殊段中建立表。該段包含了用于初始化全局變量和靜態(tài)變量的數(shù)據(jù)。每個被編譯模塊都包含這些初始化表，鏈接器將它們組成單個表(單個的clnlt段)。引導程序使用這個表初始化所有的系統(tǒng)變量。
.clnlt段中的表是由多項初始化記錄組成的。每個必須自動初始化的變量在．cinit段中都有記錄,.clnlt段中初始化記錄的格式如圖l所示。

初始化記錄包括三部分：字節(jié)長度，即需要初始化的變量個數(shù);.bss中變量的指針，為該記錄第一個變量在．bss段中的地址；初始化數(shù)據(jù)，指的是用于初始化變量的數(shù)據(jù)。初始化數(shù)據(jù)的個數(shù)必須和字節(jié)長度相等。在變量的自動初始化過程中，為了能讓初始化程序識別初始化記錄的結尾，最后一項初始化記錄的第一個字用0填充，即該初始化記錄的字節(jié)長度為0。至此初始化程
序完成了全局變量的初始化。
全局變量的初始化包括運行時變量的自動初始化和加載時變量的初始化。筆者認為，加載時變量的初始化沒有實用價值。因為當DSP斷電后，這些變量的值就丟失了。當DSP重新上電后，由于初始化程序不給這些全局變量賦初值，使得系統(tǒng)的初始化失敗。

4 C語言和匯編語言的混合編程
開發(fā)DSP芯片可以用匯編語言或C語言。兩種語言各有所長：用C語言開發(fā)DSP芯片，開發(fā)速度快，可讀性好，可移植性強；而用匯編語言開發(fā)DSP芯片，則能充分利用DSP芯片的軟硬件資源，程序代碼的執(zhí)行效率高。在DSP運算能力比較寬裕，實時性要求不是很強的場合，用C語言非常合適。在對運算速度以及實時性要求極高或者是在不能擴展外部存儲器而且片內(nèi)存儲器又非常有限的條件下，使用匯編語言幾乎是必須的。在程序的開發(fā)過程中，幾乎不可避免地要使用C語言和匯編語言的混合編程。
用C語言和匯編語言進行混合編程主要有以下三種方法：
①獨立編寫C程序和匯編程序，分開編譯或匯編形成各自的目標代碼模塊，然后用鏈接器將C語言模塊和匯編模塊鏈接起來。這其實就是一個C模塊和匯編模塊的接口問題。
②直接在C程序中的相應位置嵌入?yún)R編語句。
③對C程序進行匯編生成相應代碼，然后對這些匯編代碼進行手工優(yōu)化與修改。
在用c語言和匯編語言進行混合編程時，必須遵循寄存器規(guī)約和函數(shù)調(diào)用規(guī)約。
（1）寄存器規(guī)約
在C環(huán)境中，對什么寄存器用于完成什么樣的操作有嚴格規(guī)定。所有這些規(guī)定統(tǒng)稱為寄存器規(guī)約(registcr conventions)。如果想編寫出正確的C語言DSP程序，將C程序和匯編程序接口，則必須理解和遵循這些規(guī)約寄存器規(guī)約規(guī)定編譯器如何使用寄存器以及在函數(shù)的調(diào)用過程中如何保護寄存器。在函數(shù)的調(diào)用過程中有兩種保護寄存器的方法：一種是在調(diào)用時保護寄存器(由調(diào)用函數(shù)來完成)，另一種是在被調(diào)用函數(shù)程序的入口處保護寄存器(由被調(diào)用函數(shù)來完成)。限于篇幅，不再詳細介紹。在編程的過程中，一定要嚴格遵循這些規(guī)約，否則，會出現(xiàn)錯誤。
(2)函數(shù)調(diào)用規(guī)約
C編譯器對函數(shù)調(diào)用有一系列嚴格的規(guī)約。任何函數(shù)不管是調(diào)用C函數(shù)，還是被C函數(shù)調(diào)用，都必須遵循這些規(guī)約。不遵循這些規(guī)約將破壞C環(huán)境，導致程序運行失敗。函數(shù)調(diào)用規(guī)約(function calling conyentions)l確規(guī)定在函數(shù)調(diào)用的全過程中，調(diào)用函數(shù)和被調(diào)用函數(shù)所必須執(zhí)行的操作，以保證調(diào)用前后C環(huán)境的一致性。
當父函數(shù)調(diào)用子函數(shù)時，必須保證當前的輔助寄存器為ARl。父函數(shù)執(zhí)行以下操作：①將被調(diào)用函數(shù)所需參數(shù)的值壓入堆棧(按從右到左的順序)，使最左邊的參數(shù)位于堆棧的頂部；②調(diào)用子函數(shù)，即開始執(zhí)行子函數(shù)程序代碼；③父函數(shù)認為，當函數(shù)調(diào)用返回時，ARl是當前的輔助寄存器；④當被調(diào)用函數(shù)完成時，父函數(shù)將堆棧指針移回到函數(shù)調(diào)用前的位置。直接把壓入堆棧中參數(shù)的值丟棄。
由上可看出，函數(shù)調(diào)用過程中參數(shù)的傳遞是值傳遞，并沒有改變參數(shù)的值，只是把被調(diào)用函數(shù)所需參數(shù)的值拷貝進堆棧中。子函數(shù)使用的是堆棧中的拷貝。子函數(shù)對拷貝部分的修改并不改變參數(shù)的值。當函數(shù)調(diào)用完成時，父函數(shù)直接將堆棧中的拷貝丟棄。
子函數(shù)所執(zhí)行的操作相對復雜一些，這里不再敘述。讀者可參閱TI公司技術手冊：TMS320C2x／C2xx／C5xOptlmizing CCompiler Users’s Guide。

結語
從普及、推廣的角度來看，TI公司的TMS320C2xx系列具有較好的應用基礎和較高的性能價格比，在我國有著廣泛的應用前景。TMS320LF240x DSP是TMS320C2xx系列中的新成員，其性能遠遠超過傳統(tǒng)的l6位微控制器和微處理器，非常適用于電機的數(shù)字化控制，是電機數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品。用高級語言進行DSP的開發(fā)是DSP開發(fā)的重要方向。C語言在滿足控制應用程序運行速度的基礎上可以更好地維護程序和移植程序，是開發(fā)控制應用程序的必然趨勢。因此，我們有必要深入了解C程序的運行環(huán)境和編譯器的工作原理。DSP軟硬件開發(fā)過程中綜合了多方面的知識，只有在充分了解硬件資源的基礎上，才能開發(fā)出好的程序。