高性能浮點DSP芯片及其最小系統(tǒng)的設(shè)計

TMS320C6713是美國德州儀器公司(TI)繼TMS320C62X系列定點DSP芯片后開發(fā)的一種32 bit新型浮點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：

(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

TMS320C6713是TI新推出的高速浮點DSP，工作主頻200 MHz，其單指令執(zhí)行周期僅5 ns；具有強(qiáng)大的定點浮點運(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，是由一個超長的機(jī)器指令字來驅(qū)動內(nèi)部的多個功能單元的（這也是VLIW名字的由來）。每個指令字包含多個字段（指令），字段之間相互獨立，各自控制一個功能單元，因此可以單周期發(fā)射多條指令，實現(xiàn)很高的指令級并行效率。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是一種支持浮點運(yùn)算的DSP芯片，是德州儀器公司設(shè)計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)，多個功能單元并行工作，共享公用的大型寄存器組，同時執(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個數(shù)據(jù)通道A、B,每個通道中包括一個由16個32 bit寄存器組成的寄存器組和4個功能單元：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)存儲器

TMS320C6713的芯片內(nèi)部存儲器采用兩級高速緩存結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括：4 KB的第一級高速程序緩存（L1P）、4 KB第一級高速數(shù)據(jù)緩存(L1D)、和第二級總共256 KB片內(nèi)存儲容量(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)，對外具有強(qiáng)有力的驅(qū)動能力。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為存儲區(qū)，剩下為SRAM區(qū)，這種獨特的二級緩存結(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線和控制寄存器組成，開發(fā)人員對接口設(shè)計的主要工作就是完成接口連線和寫控制寄存器兩項工作,使得擴(kuò)展外設(shè)變得更加容易。

　C6713片內(nèi)集成的一個32 bit的外部存儲器接口EMIF(External Memory Interface)，可以外擴(kuò)8 bit、16 bit、32 bit并行存儲器。內(nèi)部的16個獨立的擴(kuò)展直接存儲器訪問通道EDMA(Enhanced Direct-Memory-Access)大大提高了存儲器訪問的效率,EDMA面向?qū)崟r信號處理,可以在CPU后臺高效完成存儲空間中數(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McASP(multichannel audio serial port)；2個McBSP(multichannel buffered serial port)，可以模擬幾乎所有形式的串行接口；2個I2C總線接口；2個32 bit的通用定時器；16通道通用I/O口GPIO(general-purpose input/output)；一個16 bit的主機(jī)接口HPI(Host-Port Interface)；還包括程序和數(shù)據(jù)存儲器控制器、中斷控制器、定時器、時鐘發(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

　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)行基本信號采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)、程序存儲；音頻信號的采集、處理及輸入、輸出；與主機(jī)間的通信及數(shù)據(jù)、程序傳輸，同時配備了外部擴(kuò)展接口，方便對系統(tǒng)的功能擴(kuò)展以實現(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采集的音頻信號經(jīng)DSP芯片或其自身進(jìn)行一定的調(diào)制處理后傳到計算機(jī)主機(jī)或直接由TLV320AIC34將DSP芯片處理過的信號傳送出去。

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、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器3塊芯片是整個模塊電路的核心。該模塊的功能是使用DSP芯片的EMIF(外部存儲器接口)，完成與外部數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)數(shù)據(jù)傳輸和程序存儲器(FLASHROM）程序讀寫任務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時計算處理及存儲；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算機(jī)主機(jī)，實現(xiàn)與計算機(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，實現(xiàn)對音頻處理模塊的控制和數(shù)據(jù)交換功能。同時還對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，同時具備掉電復(fù)位和電源電壓無法達(dá)到額定值時的自動復(fù)位功能。

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

3.1音頻處理模塊PCB設(shè)計注意事項

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

　(1)4個模擬信號的插頭布置在電路板的邊緣，對于每個通道傳送過程中的電阻、電容要適當(dāng)置在對應(yīng)的信號傳輸通道上。處理之后的信號在拉入音頻芯片相應(yīng)引腳時，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，底層主要是用來進(jìn)行大面積鋪地，起信號屏蔽作用。將模擬信號與數(shù)字信號完全分開，分成兩個不同的區(qū)域，避免相互干擾。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊PCB設(shè)計注意事項

　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)計時更要謹(jǐn)慎，需要注意以下幾點：

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

(2)在元件布局時，應(yīng)盡量保證DSP芯片和存儲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)致信號線受到寄生電感的干擾而使信號的質(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器，以保證信號可靠穩(wěn)定。

(3)對于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，盡可能保持信號線的長度近似相等，這樣才會盡可能地保證信號傳送的同步性，避免出現(xiàn)延時現(xiàn)象。走線應(yīng)盡可能向一個方向，盡量避免出現(xiàn)經(jīng)常性的折返，以防止傳輸信號的質(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)計注意事項

　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)計時采用2層電路板來實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換供電模塊的功能。具體是表層為電源、信號層走線，所有的信號布線盡可能安排在表層，在底層走少量信號線。底層主要是作為接地層，并做大面積鋪地處理，同時表層要求接地的部分就近大量打孔，將接地信號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，同時也注意電磁噪聲信號的干擾。

　TMS320C6713是美國德州儀器公司開發(fā)的新型浮點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)存儲器和大范圍的尋址能力，適合于對運(yùn)算能力和存儲量有高要求的應(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、音頻會議和廣播、生物辨識、醫(yī)療、工業(yè)、數(shù)字成像、語音識別和分組等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。