MSC8122TVT6400及其最小應用系統(tǒng)設計*

王厚磊 張友愛 于 奇

(中國船舶重工集團公司第722研究所 武漢 430079)

1 引言

在通信、雷達、聲納等電子系統(tǒng)中,對數(shù)字信號處理模塊的性能要求越來越高,傳統(tǒng)的方法是利用并行處理技術,選用多片DSP構成并行處理系統(tǒng),這種方法的缺點是對外部總線的依賴性太強,易產(chǎn)生總線瓶頸,還有布板較復雜,功耗也比較大。選用多核DSP既可以提高數(shù)字信號處理的性能又能避免以上的缺點。

MSC8122TVT6400型DSP是飛思卡爾公司生產(chǎn)的一款四核數(shù)字信號處理器,該處理器能多核并行處理。運算速度是同一代單核DSP的四倍,且有成本低、功耗小、性能高、外設集成度高,數(shù)據(jù)以及程序存儲量大的優(yōu)點。它采用內核1.2V供電,外設3.3V供電,功耗只有2W,每個內核主頻為400MHZ,4個內核共有 1.6GHZ,可達6400MMACS每秒的運算能力[1],是高速數(shù)據(jù)處理和大量數(shù)據(jù)處理時理想的選擇。

2 MSC8122TVT6400簡介

飛思卡爾公司的 MSC8122TVT6400四核DSP,利用的是Motorola和 Lucent共同開發(fā)的StarCore 140內核的擴展核,每個StarCore140擴展核由一個StarCore140核、224KB的內部存儲器和擴展的QBus系統(tǒng)組成。StarCore140內核是第一個低功耗高性能具有特大指令字組(VLIW)結構的16位定點DSP內核。StarCore140核有四條16位數(shù)據(jù)通路,每一條有一個組合的ALU/MAC資料欄單元(BFU),每一個BFU包含一個40位柱式移位器,兩條32位地址總線和兩條64位數(shù)據(jù)總線,用來傳輸數(shù)據(jù)。128位程序總線能在一個周期內檢索八條16位指令[2]。

圖1 MSC8122TVT6400的內部結構

如圖1所示,MSC8122TVT6400內部集成了4個StarCore140擴展核,提供1.43MB內存(4×224KB M1及476KB M2)、一個高寬帶外部存儲器接口、1組豐富的高級外圍設備(包括10/100Mbit/s以太網(wǎng)控制器)和高吞吐量處理器。各個內核由SQBus、MQBus和 LocalBus連接,MQBus共享公共內存資源,SQBus主要是用來響應外部中斷。SQBus和 MQbus都工作在 StarCore140內核頻率,允許數(shù)據(jù)線進行128bit讀操作和 64bit寫操作。一個高效的仲裁器決定哪個StarCore140內核使用MQbus和SQBus,通過一個像停車場一樣的機制,仲裁器決定最后獲勝者取得 MQbus和SQBus總線的使用權,一直到另外一個StarCore140核開始另外一次請求。LocalBus主要負責外部主機和各個外設接口與內核的通信,此外各個內核的M1存儲器也是通過通過LocalBus實現(xiàn)直接存儲器傳輸(DMA)的。

MSC8122 TVT6400有高性能(每秒64億次乘累加)和低功耗(功耗僅為2W)的特點,可以減少系統(tǒng)的DSP數(shù)量和那些高成本高功耗的輔助ASIC和FPGA,同時低功耗和單芯片的設計有助于減少實際應用系統(tǒng)體積及緩存散熱問題。

3 最小應用系統(tǒng)

根據(jù)數(shù)據(jù)終端處理機的需求,以MSC8122TVT6400為核心構建數(shù)字信號處理最小系統(tǒng)板,系統(tǒng)電路圖可按以下幾個模塊設計:復位電路;時鐘生成電路和400M主頻設計;電源模塊設計;存儲器模塊;數(shù)模/模數(shù)轉換模塊;JTAG仿真接口;以太網(wǎng)接口;串行口;系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

3.1 時鐘電路的設計

向DSP提供時鐘一般有兩種方式:一種是利用DSP內部提供的晶體振蕩器電路,即在DSP的X1和X2管腳間引入一個晶體來啟動內部振蕩器;另一種是外部時鐘源直接接入X2/CLKIN引腳。本設計采用了外接時鐘源的方法。

外接一個25M時鐘源為DSP提供時鐘。時鐘配置模式由MODCK[1-5]決定;設計中這樣配置:MODCK[1-2]=11,MODCK[3-5]=000。這時五個因數(shù) PLLRDF=1,PLLFDF=2,PLLODF=2,PLLTP=7,BUSDF=4;這樣CLKIN=25M,內核時鐘400MHz,總線時鐘100MHz。

內核時鐘與總線時鐘,兩個時鐘同步且相位相同[3]。其中內核時鐘為Starcore140擴展核提供時鐘,包括SC140內核;M1、M2內存 ;PIC;LIC;指令高速緩存;寫緩存。總線時鐘為外部接口提供時鐘,包括系統(tǒng)接口單元(SIU);直接存儲器傳遞(DMA);直接從接口(DSI);時分多址接口;定時器;串行口;GIC;以太網(wǎng)口。

3.2 復位模塊

MSC8122TVT6400復位管腳有三個上電復位(PORESET),硬件復位(H RESET),軟件復位(SRESET)。在電路設計中對芯片的上電復位用看門狗電路復位,硬件復位作為輸出,復位JTAG口。復位采用上電復位電路,由電源器件給出復位信號一旦電源上電系統(tǒng)便處于復位狀態(tài),為使DSP初始化正確,應保證 MSC8122TVT6400的VDD和VDDH穩(wěn)定16個時鐘輸入周期之后再使用上電復位管腳。

復位電路如圖3所示,DSP的GPIO2向WDI輸入交替的01電平,當程序出現(xiàn)跑飛,如果大于1.6s沒有電平輸入,WDO就輸出一個200ms的低電平復位信號,把它和手動開關經(jīng)相與后輸出到手動復位管腳,作用是當有手動按下開關或是WDO有復位電平輸出,都會使MAX706SCSA的復位管腳輸出復位信號,使DSP芯片復位。

圖3 看門狗復位模塊

圖4 電源模塊設計

3.3 電源電路設計

DSP芯片MSC8122TVT6400內核電壓3.3V,I/O電壓1.2V,本設計采用5V電壓源供電,用電壓轉換芯片LM20145進行電壓轉換。它能連續(xù)輸出電流高達5A,是可調頻同步降壓穩(wěn)壓電壓轉換芯片,采用恒流模式控制電路,對各種輸出電容能穩(wěn)定工作,器件的輸入電壓為2.95V到5.5V,內部有過壓保護(OUP)和過流保護(OCP)。

電源模塊設計連接圖如圖 4所示,下面的LM20145芯片的PGOOD輸出連到上面一片LM20145的使能端口,內核上電后下面LM20145的PGOOD管腳輸出一個低電平信號,輸入到上面LM20145的使能端,上面的LM20145開始工作輸出外圍電路需要的3.3V電壓。這樣能保證內核先上電,外圍后上電,進而使DSP芯片正常工作。

3.4 外部存儲器和flash的設計

本設計的總線時鐘頻率是100MHZ,外部存儲器的存取速率應略大于總線的時鐘頻率,才能夠同步內核的工作[4]。設計選用 HY57V561620T-H作為DSP的外部存儲器,這片SDRAM的動態(tài)存儲空間 32Mb×16Bit,正常的時鐘頻率是133MHZ,滿足總線時鐘的要求。

DSP的自舉方式采用外部 flash自舉,選用16MB的flash存儲 Bootload程序,把程序通過JTAG口寫入flash,當電路板再次上電是DSP通過flash自動配置DSP的內部寄存器實現(xiàn)自舉。選用flash芯片S29GL016A,存儲空間16MB。

3.5 串行口設計

串口的發(fā)送和接收管腳分別是 DSP的GPIO27-28,該管腳通過IPBUS與外部主機、四個內核相連,外部主機通過LOCAL BUS與IPBUS相連,而四個內核通過SQbus連到IPBUS上。串口配置由五個寄存器完成,所有的串口配置寄存器要配置進IPBUS的地址空間[5]。

因為MSC8122TVT6400內部集成有并串轉換的電路,所以在外部只需要接一個電平轉換芯片,將MSC8122TVT6400中SCI接口的 T TL電平轉換成RS-232電平,即進行串口電平轉換,然后用DB9連接器外接就行了。本設計采用了MAX3232芯片,功耗低,集成度高+3.3V供電具有兩個接收和發(fā)送通道,在本設計中只用了一個通道,剩余的那個通道用于擴展功能備用,V+與V-,C+與 C-用0.1uF的電容相連,這樣利用MAX3232把DSP外圍電平轉換成 RS-232電平[6]。

3.6 其他部分的設計

1)以太網(wǎng)口設計,MSC8122TVT6400芯片本身支持三種模式MII,RMII,SMII.能夠支持多種物理指令。本設計選用的是 MII模式,用LXT971A實現(xiàn)的物理層轉換,10M/100M自適應的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸[7]。

2)系統(tǒng)設計了外部模擬信號輸入端口,可以對模擬信號進行數(shù)模轉換然后再對生成的數(shù)字信號進行數(shù)字信號處理,選用 TI公司的TLV320AIC10雙向轉換芯片,設置合適的采樣頻率,由 Fs=MCLK/(256*N),可設置 N=2,MCLK=4.096MHz,可得采樣頻率為32kHz。從在這里輸入音頻信號,DSP可對其進行調制解調等算法運算。

4 集成開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)測試結果

軟件開發(fā)平臺采用Codewarrior,VC6.0用于單幀調試時對照使用,Codewarrior是由Metrowerks公司開發(fā)的適用于飛思卡爾DSP和MCU產(chǎn)品開發(fā)的交叉編譯器。本課題采用的是CodeWarrior forStarCore,即專門用于采用StarCore核的DSP產(chǎn)品開發(fā)配套軟件集成開發(fā)環(huán)境[8]。CodeWarrior提供一套靈活的及高效的軟件開發(fā)組件,包括工程管理器、編輯器、搜索引擎、源代碼瀏覽器、軟件編譯和連接器以及調試器等。CodeWarrior界面如圖5所示。

圖5 CodeWarrior界面

系統(tǒng)平臺搭設完成后對各個模塊進行了調試,經(jīng)多次努力終使各個模塊均能正常工作,下面是串口和網(wǎng)口的調試過程。

串口配置由五個寄存器完成,所有的串口配置寄存器要配置進IPBUS的地址空間,SCIBR決定波特率;SCICR決定傳輸長度,傳輸中斷,傳輸模式,奇偶校驗等;SCISR是串口狀態(tài)寄存器,內核通過查詢狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位來控制發(fā)送和接收過程;SCIDR數(shù)據(jù)寄存器,主要是暫存要傳輸?shù)臄?shù)據(jù),SCIDDR是串口數(shù)據(jù)方向寄存器。

根據(jù)需要采取Run Mode傳輸模式,由波特率計算公式UART band rate=System clock/(16×SCIBR[12-0])得波特率11520bps,不設奇偶校驗位。

串口配置程序如下:

;SCI Baud-rate Register

SCIBR equ 0x1000

;SCI control register

SCISR equ 0x1008

;SCI Status register

SCISR equ 0x1010

;SCI Data Register

SCIDR equ 0x1018

;SCI Data Direction Register

SCIDDR equ 0x1028

在PC端運行串口調試助手,該軟件可以在網(wǎng)上免費獲得,軟件運行后根據(jù)實際運行環(huán)境進行配置,經(jīng)測試,模塊轉發(fā)數(shù)據(jù)正常。

網(wǎng)口的調試,直接支持IEEE Std.802.3標準協(xié)議的以太網(wǎng)接口是MSC8122TVT6400重要特點,需配置的寄存器有以下幾類:通用控制及狀態(tài)寄存器、FIFO控制及狀態(tài)寄存器、發(fā)送控制及狀態(tài)寄存器、接收控制及狀態(tài)寄存器、MAC寄存器、MII配置寄存器、MIIGSK寄存器、RMON計數(shù)器、RMON寄存器、無用信號功能寄存器、模式匹配寄存器、數(shù)據(jù)結構體。

這里我們選擇MII模式,傳輸速度為10M/100M自適應,設計中只需對三個寄存器賦值,

MACCFG2=x0003afc,導入長度設為7,無長度檢測,無padding和CRC狀態(tài),MAC CRC激活,半雙工方模式。

DMAMR=x000sfc8,發(fā)送數(shù)據(jù)的輪流檢測頻率為512個時鐘,亂序緩沖描述輪流檢測激活,報警模式優(yōu)先級設為高級,報警模式的緩沖描述符取來優(yōu)先級設為中級。MIIMCFG=x00003ae0;MII模式激活,生成導入位初始化,總線時鐘被8分頻。

經(jīng)測試網(wǎng)口模塊收發(fā)數(shù)據(jù)正常。

5 結語

本文設計的 MSC8122TVT6400最小系統(tǒng)經(jīng)過實驗,表明具備了數(shù)據(jù)采集、與PC通信及實時數(shù)據(jù)處理等功能,具有一定的實用價值。此外根據(jù)不同的信號處理需求,還可對該最小系統(tǒng)的功能開發(fā)驗證實驗進一步完善:如增加CPCI總線功能及數(shù)字信號處理功能等,對于通用I/O(如鍵盤、液晶)及擴展外存的實現(xiàn)進一步深入研究,可將該最小系統(tǒng)功能升級成為通用DSP系統(tǒng),從而可更廣泛地滿足各類復雜工程需求。

[1]Freescale Semiconductor.MSC8122 Data Sheet.Rev.16,12/2008

[2]Freescale Semiconductor.MSC8122 Reference Manual.Rev 3,2005,4

[3]Freescale Semiconductor.MSC8122/26ADS Reference Manual,2005

[4]張雄偉,陳亮,徐光輝.DSP芯片的原理與開發(fā)應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003

[5]李朝青.PC機與單片機 &DSP數(shù)據(jù)通信技術選編[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003

[6]趙紅怡.DSP技術與應用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006

[7]范壽康,康廣荃,尹磊.Freescale 16位DSP原理與開發(fā)技巧[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006:106～145

[8]Code Warrior Help[Z].Mtorola Inc,2002:106～135