實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302與超級(jí)電容

引言
tigersharc 128-bit數(shù)字信號(hào)處理器是繼高性能dsp——adsp-2106x sharc之后的新一代產(chǎn)品，tigersharc將數(shù)字信號(hào)處理器性能提升到了一個(gè)新的高度。2001年，美國(guó)adi公司發(fā)布了其高性能tigersharc系列dsp的新成員，adsp-ts101s的有關(guān)技術(shù)文件。從2002年下半年起，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上可以訂購(gòu)到adsp-ts101s的正版芯片。adsp-ts101s tiger sharc dsp是一款性能極高的靜態(tài)超標(biāo)量處理器專(zhuān)為大的信號(hào)處理任務(wù)和通訊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。該處理器，將非常寬的存儲(chǔ)器寬度和雙運(yùn)算模塊組合在一起，建立了數(shù)字信號(hào)處理器新標(biāo)準(zhǔn)。

adsp-ts101s主要性能特點(diǎn)：

·300mhz的運(yùn)行速度，3.3ns指令周期；

·6m bits片內(nèi)saram；

·雙運(yùn)算模塊——每個(gè)包含一個(gè)alu，一個(gè)乘法器，一個(gè)移位器和一個(gè)寄存器組；

·雙整數(shù)alu，提供數(shù)據(jù)尋址和指針操作功能；

·集成i/o包括14通道的dma控制器，外部端口，4個(gè)鏈路口，sdram控制器，可編程標(biāo)志引腳，2個(gè)定時(shí)器和定時(shí)器計(jì)滿引腳等用于系統(tǒng)；

·ieee 1149.1兼容的jtag端口用于片上仿真；

·片上仲裁通過(guò)共享總線可無(wú)縫連接多達(dá)8個(gè)tigersharc dsp。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

該高速圖像處理系統(tǒng)主要完成的功能是：實(shí)時(shí)處理ccd(charge coupled device)連續(xù)采集輸入的圖像數(shù)據(jù)，并從每一幀圖像中提取出其中最長(zhǎng)的一條直線。具體要求指標(biāo)如下： 1)為達(dá)到與ccd同步的實(shí)時(shí)處理，每秒處理25幀圖像；

2)圖像為320 240陣列，像素為16位精度定點(diǎn)數(shù)；

3)從每幀圖像中提取其中的直線信息，并給出最長(zhǎng)直線的坐標(biāo)；

adsp-ts101s的應(yīng)用分析

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要是在數(shù)據(jù)量大，時(shí)間要求短的情況下如何實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速處理。每幀圖像的數(shù)據(jù)量大小為320 240＝76.8 kbit，而按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，處理每幀圖像數(shù)據(jù)僅有40ms的時(shí)間，除去由fpga中fifo（輸入輸出緩存單元）緩存由ccd進(jìn)入的圖像數(shù)據(jù)時(shí)間（20ms），留給系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間僅有20ms。選用時(shí)鐘為300mhz的ts101芯片，即每個(gè)指令周期為3.3ns。結(jié)合數(shù)據(jù)運(yùn)算量的大小以及整個(gè)系統(tǒng)成本的考慮，選用4片dsp組成主處理系統(tǒng)（為提高運(yùn)算速度及精度，可選用6片甚至8片dsp完成系統(tǒng)功能）。此外，由于數(shù)據(jù)量大，增加一片64m的sdram補(bǔ)充dsp內(nèi)部存儲(chǔ)單元的不足。

硬件應(yīng)用設(shè)計(jì)

adsp-ts101s有兩套獨(dú)立的電源1.2v和3.3v，內(nèi)部邏輯和模擬電路電源必須滿足1.2v的要求，i/o緩沖電源必須滿足3.3v的要求。而且需要注意的是dsp供電的順序是先提供1.2v，然后是3.3v。由于系統(tǒng)芯片引腳復(fù)雜性及電路的龐大，本文不再給出詳細(xì)的電路原理圖。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)加電后，fpga從fpga -flash加載程序代碼；四片dsp（dsp0～dsp3）上電后分別從 flash加載程序，等待圖像數(shù)據(jù)的輸入。ccd每隔20ms輸入一幀數(shù)據(jù)（76.8k）至fpga的fifo緩存，通過(guò)外部dma方式由dsp0傳送至sdram，之后通過(guò)總線仲裁，數(shù)據(jù)流平均分成四部分由dsp0～dsp3并行執(zhí)行。最后計(jì)算結(jié)果由dsp3通過(guò)fpga送回，由串口輸出至顯示屏。系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)jtag測(cè)試訪問(wèn)端口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與仿真。

軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速性，節(jié)省系統(tǒng)的運(yùn)算時(shí)間，如何實(shí)現(xiàn)各dsp之間算法執(zhí)行的并行性是軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的首要問(wèn)題。由于圖像數(shù)據(jù)是通過(guò)fifo依次輸入的，并非一次性讀入，要實(shí)現(xiàn)算法的并行執(zhí)行就轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流如何分配的問(wèn)題。借助sdram，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分配圖如圖2所示。

主程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，算法采用現(xiàn)已相當(dāng)成熟、使用最多的圖像處理算法。主程序模塊主要有初始化模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、中值濾波模塊、邊緣增強(qiáng)模塊、邊緣細(xì)化模塊和直線提取模塊。系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化主要完成dsp專(zhuān)用寄存器的設(shè)定，特別是各中斷寄存器的設(shè)置以及相關(guān)存儲(chǔ)單元的清零。主程序流程圖如圖3所示。

中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，中斷服務(wù)程序是控制程序執(zhí)行的一種重要方式。tigersharc dsp支持多種類(lèi)型的中斷，它們中的一部分由內(nèi)部產(chǎn)生，另外一些則由外部產(chǎn)生。tigersharc dsp的大多數(shù)中斷都是專(zhuān)用的，但也有四個(gè)外部中斷和一個(gè)中斷寄存器。

在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，dsp接收f(shuō)ifo輸入的圖像數(shù)據(jù)，就是通過(guò)檢測(cè)外部irq0中斷引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該中斷采用的是邊沿觸發(fā)方式：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，則fpga給dsp0的irq0引腳一個(gè)下降沿，觸發(fā)外部irq中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，并在中斷服務(wù)程序中設(shè)置下一步需要的外部口dma寄存器，設(shè)置完畢進(jìn)入外部dma中斷服務(wù)程序；反之dsp0繼續(xù)等待，直到有外部中斷產(chǎn)生為止。

由于出現(xiàn)中斷嵌套，因此服務(wù)程序的第一條指令必須專(zhuān)門(mén)用來(lái)保存狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，所有在中斷服務(wù)程序中可能用到的寄存器必須入棧保存。由于irq0-3中斷優(yōu)先級(jí)高于dma通道0-13中斷，因此總是先響應(yīng)irq0中斷，再響應(yīng)外部dma中斷。

外部irq中斷服務(wù)程序如圖4所示。

dma程序設(shè)計(jì)

dma(直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))方式是不需要處理器核干預(yù)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。tigersharc片內(nèi)的dma控制器允許將數(shù)據(jù)傳輸作為一個(gè)后臺(tái)任務(wù)執(zhí)行，從而將處理器核釋放出來(lái)，進(jìn)行其他數(shù)字信號(hào)處理操作。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要用到了兩種dma傳輸方式：片間鏈路口dma和外部口dma。鏈路口主要用于4片dsp之間傳送批量數(shù)據(jù)，而外部口dma主要用于dsp與sdram之間批量數(shù)據(jù)的傳輸。無(wú)論何種dma方式，編程的關(guān)鍵是設(shè)置相應(yīng)的接收tcb寄存器和發(fā)送tcb寄存器。下面分別給出兩種方式下用tiger sharc dsp匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的dma 中斷寄存器設(shè)置方式：

1）鏈路口dma
程序段實(shí)現(xiàn)功能：用鏈路口3完成數(shù)據(jù)的dma接收。
.section program;
……
xr0=0x90010000;;
xr1=0x00000000;;
imaskh=xr0;;
//使能全局中斷和矢量中斷
imaskl=xr1;;
//關(guān)閉所有dma通道中斷
xr0 = imaskh;;
xr1 = 0x00000001;;
xr0 = r0 or r1;;
//使能dma11（鏈路口3dma的 接收通道）中斷
imaskh = xr0;;
j0 = j31 + dma11_int;;
//設(shè)置dma中斷向量
ivdma11 = j0;;
xr8 = n;;
//數(shù)據(jù)量
xr9 = lshift r8 by 16;; xr10 = 2;;
//修正值
xr4 = rx_data;;
//接收目的地址
xr5 = r9 or r10;;
//00000000010000000000000000000100
xr6 = 0x00000000;;
xr7 = 0x45000000;;
//01000111000000000000000000000000
xr0 = 0x000004da;;
lctl3 = xr0;;
//link3控制設(shè)置
dc11 = xr7:4;;
//開(kāi)啟link3接收dma
idle;;
2）外部口dma
程序段實(shí)現(xiàn)功能：通過(guò)外部口1完成數(shù)據(jù)從sdram到dsp內(nèi)存單元的傳送。
.section program;
……
xr0 = imaskl;;
xr1 = 0x0000c000;;
xr0 = r0 or r1;;
imaskl = xr0;;
// 使能 dma0和 dma1
xr4 = n;
// 數(shù)據(jù)量
xr5 = lshift r4 by 16;;
xr6 = 1;;
// 修正值
xr1 = r6 or r5;;
// 00000000010000000000000000000100
xr2 = 0x00000000;;
xr3 = 0x43000000;;
//01000111000000000000000000000000
xr8 = sdram_data;;
//源地址
xr9 = xr1;;
xr10 = 0x00000000;;
xr11 = 0x83000000;;
xr0 = rx_data;;
//目的地址
dcs1 = xr11:8;;
// 加載源 tcb
dcd1 = xr3:0;
//加載目的tcb
idle;;

結(jié)論

本文結(jié)合tigersharc芯片adsp-ts101s的主要性能特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了該芯片在高速圖像處理系統(tǒng)中的應(yīng)用，并給出了較詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)原理。通過(guò)使用4片adsp-ts101s的并行處理，該系統(tǒng)很好的完成了系統(tǒng)要求的高速性能。adsp-ts101s tigersharc dsp芯片以其特有的高性能結(jié)構(gòu)和優(yōu)化簡(jiǎn)潔的指令系統(tǒng)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。