高性能浮點(diǎn)DSP芯片及其最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

TMS320C6713是美國德州儀器公司(TI)繼TMS320C62X系列定點(diǎn)DSP芯片后開發(fā)的一種32 bit新型浮點(diǎn)DSP芯片,該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在TMS320C62X基礎(chǔ)上改進(jìn)，具有如下革命性的特點(diǎn)：

(1)處理速度快，工作主頻最高可達(dá)到300 MHz，峰值運(yùn)算能力為2 400 MIPS/1 800 MFLOPS；

(2)硬件支持IEEE格式的32 bit單精度與64 bit雙精度浮點(diǎn)操作；

(3)集成了32×32 bit的乘法器，其結(jié)果可為32 bit或64 bit；

(4)TMS320C62X指令無需任何改變即可在TMS320C6713上運(yùn)行。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

TMS320C6713是TI新推出的高速浮點(diǎn)DSP，工作主頻200 MHz，其單指令執(zhí)行周期僅5 ns；具有強(qiáng)大的定點(diǎn)浮點(diǎn)運(yùn)算能力，運(yùn)算速度可達(dá)1 600 MIPS/1 200 MFLOPS。與TMS320其他系列DSPs相比，C6000系列DSPs最主要的特點(diǎn)是在體系結(jié)構(gòu)上采用了VelociTI超長指令字VLIW(Very long Instruction Word)結(jié)構(gòu)，VLIW體系結(jié)構(gòu)中，是由一個(gè)超長的機(jī)器指令字來驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的多個(gè)功能單元的（這也是VLIW名字的由來）。每個(gè)指令字包含多個(gè)字段（指令），字段之間相互獨(dú)立，各自控制一個(gè)功能單元，因此可以單周期發(fā)射多條指令，實(shí)現(xiàn)很高的指令級(jí)并行效率。C6000的VLIW采用了類RISC指令集，使用大統(tǒng)一的寄存器堆，結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有潛在的易編程性和良好的編譯性能，在科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮良好的性能。

TMS320C6713是一種支持浮點(diǎn)運(yùn)算的DSP芯片，是德州儀器公司設(shè)計(jì)的用于高端處理的長指令、多功能的DSP芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能模塊如圖1所示，它主要包括中央處理器CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器和片內(nèi)集成外設(shè)3部分。

1.1 CPU內(nèi)核的功能單元

TMS320C6713的CPU是最新采用VelociTI體系結(jié)構(gòu)的DSP芯片。VelociTI是高性能、先進(jìn)的VLIW結(jié)構(gòu)，多個(gè)功能單元并行工作，共享公用的大型寄存器組，同時(shí)執(zhí)行的各種操作是由VLIW的長指令分配模塊進(jìn)行同步協(xié)調(diào)的，這種結(jié)構(gòu)使其成為多通道、多功能以及高性能應(yīng)用的首選器件。CPU內(nèi)核作為DSP芯片的運(yùn)算和控制中心，包括以下幾部分：(1)程序取指令單元、指令分配單元、指令譯碼單元;(2)2個(gè)數(shù)據(jù)通道A、B,每個(gè)通道中包括一個(gè)由16個(gè)32 bit寄存器組成的寄存器組和4個(gè)功能單元：①算術(shù)和邏輯運(yùn)算單元(.L)②分支、位操作和算術(shù)運(yùn)算單元(.S)③乘法操作單元（.M）④裝載/存儲(chǔ)和算術(shù)單元（.D）;(3)控制寄存器;(4)控制邏輯;⑸測試、在線仿真接口和中斷控制。

1.2 片內(nèi)存儲(chǔ)器

TMS320C6713的芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器采用兩級(jí)高速緩存結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括：4 KB的第一級(jí)高速程序緩存（L1P）、4 KB第一級(jí)高速數(shù)據(jù)緩存(L1D)、和第二級(jí)總共256 KB片內(nèi)存儲(chǔ)容量(64 KB的L2統(tǒng)一緩存/映射RAM和192 KB的附加L2 RAM)。

無論是TMS320C6713還是TMS320C6713B都應(yīng)用了雙層的Cache結(jié)構(gòu)，對(duì)外具有強(qiáng)有力的驅(qū)動(dòng)能力。第一層為4 KB的程序緩沖區(qū)和可雙向?qū)ぶ返臄?shù)據(jù)緩沖區(qū)，第二層有256 KB的程序和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其中64 KB為存儲(chǔ)區(qū)，剩下為SRAM區(qū)，這種獨(dú)特的二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)大大提高了CPU的工作效率。

1.3 片內(nèi)集成外設(shè)

TMS320C6713的芯片內(nèi)部集成了許多外圍設(shè)備接口，可以方便地連接片外存儲(chǔ)器、主機(jī)、串行設(shè)備等外設(shè)。所有外部接口都是由一些信號(hào)線和控制寄存器組成，開發(fā)人員對(duì)接口設(shè)計(jì)的主要工作就是完成接口連線和寫控制寄存器兩項(xiàng)工作,使得擴(kuò)展外設(shè)變得更加容易。

　C6713片內(nèi)集成的一個(gè)32 bit的外部存儲(chǔ)器接口EMIF(External Memory Interface)，可以外擴(kuò)8 bit、16 bit、32 bit并行存儲(chǔ)器。內(nèi)部的16個(gè)獨(dú)立的擴(kuò)展直接存儲(chǔ)器訪問通道EDMA(Enhanced Direct-Memory-Access)大大提高了存儲(chǔ)器訪問的效率,EDMA面向?qū)崟r(shí)信號(hào)處理,可以在CPU后臺(tái)高效完成存儲(chǔ)空間中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移,具有高效的傳輸速率,C621x和671x的數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)1 200 MB/s。2個(gè)McASP(multichannel audio serial port)；2個(gè)McBSP(multichannel buffered serial port)，可以模擬幾乎所有形式的串行接口；2個(gè)I2C總線接口；2個(gè)32 bit的通用定時(shí)器；16通道通用I/O口GPIO(general-purpose input/output)；一個(gè)16 bit的主機(jī)接口HPI(Host-Port Interface)；還包括程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器控制器、中斷控制器、定時(shí)器、時(shí)鐘發(fā)生器、PLL(鎖相環(huán)控制發(fā)生器)及掉電邏輯等功能單元。

2 TMS320C6713 DSP硬件最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　TMS320C6713(主頻225 MHz)是C67X系列中一款典型且應(yīng)用廣泛的DSP芯片，其硬件最小系統(tǒng)所要完成的主要功能包括：進(jìn)行基本信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)；音頻信號(hào)的采集、處理及輸入、輸出；與主機(jī)間的通信及數(shù)據(jù)、程序傳輸，同時(shí)配備了外部擴(kuò)展接口，方便對(duì)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)更廣泛的嵌入式應(yīng)用。將以上主要功能分成如圖2所示的功能模塊：音頻處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源轉(zhuǎn)換供電模塊。

2.1音頻處理模塊

　在音頻處理模塊中，本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的音頻處理芯片TLV320AIC34，它是一款高性能的立體聲音頻編解碼器，并同時(shí)集成了高度的模擬功能,再配以相關(guān)的輔助電路完成音頻信號(hào)的初始處理,它具有麥克風(fēng)輸入、音頻線輸入2種輸入方式及音頻線輸出、揚(yáng)聲器輸出2種輸出方式。音頻處理芯片TLV320AIC34采集的音頻信號(hào)經(jīng)DSP芯片或其自身進(jìn)行一定的調(diào)制處理后傳到計(jì)算機(jī)主機(jī)或直接由TLV320AIC34將DSP芯片處理過的信號(hào)傳送出去。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

　在數(shù)據(jù)處理模塊中，系統(tǒng)中的DSP芯片、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器3塊芯片是整個(gè)模塊電路的核心。該模塊的功能是使用DSP芯片的EMIF(外部存儲(chǔ)器接口)，完成與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SDRAM)數(shù)據(jù)傳輸和程序存儲(chǔ)器(FLASHROM）程序讀寫任務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算處理及存儲(chǔ)；具有硬件中斷和復(fù)位功能；并通過JTAG接口電路與硬件仿真器相連接后再接到計(jì)算機(jī)主機(jī)，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信；使用McBSP(多路緩沖串行口)完成串行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻處理模塊的控制和數(shù)據(jù)交換功能。同時(shí)還對(duì)DSP芯片未使用的引腳進(jìn)行處理，將全部引出為日后功能的擴(kuò)展提供基礎(chǔ)。

2.3 電源供電模塊

　在電源供電模塊中,為實(shí)現(xiàn)硬件之間的良好匹配，本系統(tǒng)采用TI公司的2塊電源芯片TPS54350。它的輸入電壓為5 V,分別為音頻處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊提供3.3 V電源電壓并為數(shù)據(jù)處理模塊提供1.26 V芯片內(nèi)核電壓，同時(shí)具備掉電復(fù)位和電源電壓無法達(dá)到額定值時(shí)的自動(dòng)復(fù)位功能。

3 TMS320C6713的硬件最小系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1音頻處理模塊PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　音頻處理模塊主要完成音頻信號(hào)的采集處理，TLV320AIC34音頻處理芯片將采集到的信號(hào)作初步處理，也可以將信號(hào)傳送給DSP芯片由其作進(jìn)一步的處理。元件布局走線時(shí)應(yīng)注意：

　(1)4個(gè)模擬信號(hào)的插頭布置在電路板的邊緣，對(duì)于每個(gè)通道傳送過程中的電阻、電容要適當(dāng)置在對(duì)應(yīng)的信號(hào)傳輸通道上。處理之后的信號(hào)在拉入音頻芯片相應(yīng)引腳時(shí)，走線距離不能太遠(yuǎn)，以免受到不必要的干擾。

　(2)采用兩層電路板走線，具體為在表層走模擬和數(shù)字信號(hào)，底層主要是用來進(jìn)行大面積鋪地，起信號(hào)屏蔽作用。將模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)完全分開，分成兩個(gè)不同的區(qū)域，避免相互干擾。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　作為以DSP芯片為核心的高頻數(shù)據(jù)處理模塊，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)更要謹(jǐn)慎，需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)考慮到信號(hào)走線的順利通暢，盡可能不受干擾，故在設(shè)計(jì)電路板層的布局時(shí)要分層，為此設(shè)置2個(gè)電源層DSPIO_3.3 V、DSP_CVDD和一個(gè)接地層GND，另外設(shè)置3個(gè)信號(hào)層并保證其都盡可能靠近接地層，從而使信號(hào)的傳輸質(zhì)量效果最佳。

(2)在元件布局時(shí)，應(yīng)盡量保證DSP芯片和存儲(chǔ)器之間的距離盡可能近些，這樣可以減少制板費(fèi)并避免走線過長導(dǎo)致信號(hào)線受到寄生電感的干擾而使信號(hào)的質(zhì)量下降甚至完全失效。所以采用的排阻也要盡可能接近存儲(chǔ)器，以保證信號(hào)可靠穩(wěn)定。

(3)對(duì)于JTAG模塊，它包含標(biāo)準(zhǔn)的14腳插座以及未使用的EMU2-EMU5引腳，仿真及邊界掃描工作模式的設(shè)定，將這3個(gè)部分全部以標(biāo)準(zhǔn)插座的形式引出，并盡可能放置在電路板的一側(cè)靠近邊緣的地方。

(4)在走線過程中，盡可能保持信號(hào)線的長度近似相等，這樣才會(huì)盡可能地保證信號(hào)傳送的同步性，避免出現(xiàn)延時(shí)現(xiàn)象。走線應(yīng)盡可能向一個(gè)方向，盡量避免出現(xiàn)經(jīng)常性的折返，以防止傳輸信號(hào)的質(zhì)量受到影響。其次是未用引腳的引出應(yīng)依據(jù)其功能將其分為2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的2×20的插座。

3.3 電源轉(zhuǎn)換供電模塊PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　電源轉(zhuǎn)換供電模塊主要提供DSPIO_3.3 V和DSP_CVDD 2種電壓，設(shè)計(jì)時(shí)采用2層電路板來實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換供電模塊的功能。具體是表層為電源、信號(hào)層走線，所有的信號(hào)布線盡可能安排在表層，在底層走少量信號(hào)線。底層主要是作為接地層，并做大面積鋪地處理，同時(shí)表層要求接地的部分就近大量打孔，將接地信號(hào)直接就近連接底層作接地處理。依據(jù)其工作原理,將5 V電壓分為兩路通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，走線時(shí)注意電源線和通道的走線寬度以達(dá)到承受電流要求，同時(shí)也注意電磁噪聲信號(hào)的干擾。

　TMS320C6713是美國德州儀器公司開發(fā)的新型浮點(diǎn)DSP芯片，具有非常高的運(yùn)行速度、集成度和良好的擴(kuò)展性。由于其出色的運(yùn)算能力、高效的指令集、智能外設(shè)、大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍的尋址能力，適合于對(duì)運(yùn)算能力和存儲(chǔ)量有高要求的應(yīng)用場合。特別是在專業(yè)音頻產(chǎn)品、混頻器、音頻合成器、儀器/放大器建模、音頻會(huì)議和廣播、生物辨識(shí)、醫(yī)療、工業(yè)、數(shù)字成像、語音識(shí)別和分組等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。