DSP開發筆記一

前言

​ 本筆記首先對DSP的特點及其選型進行了描述，然后重點記錄DSP開發環境的搭建及基礎工程示例，對為DSP開發新手有一定的指導作用。

1. DSP簡介

1.1 主要特點

1. 在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；
2. 程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；
3. 片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問；
4. 具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬件支持；
5. 快速的中斷處理和硬件I/O支持；
6. 具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；
7. 可以並行執行多個操作；
8. 支持流水線操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。

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1.2 主要廠商

TI

• 面向數字控制、運動控制的TMS320C2000系列；
• 面向低功耗、手持設備、無線終端應用的TMS320C5000系列；
• 面向高性能、多功能、復雜應用領域的TMS320C6000系列

ADI

• 21xx系列：16位定點dsp，主要以218x和219x系列為代表，性能優異，內部RAM大，外圍接口多，適合作為控制類芯片使用；
• SigmaDSP：完全可編程的單芯片音頻DSP；
• blackfin系列：ADI最新推出的一款dsp，是高性能16位DSP信號處理能力與通用微控制器使用方便的性能結合；
• SHARC 系列：32位浮點dsp，包括前期的2106x系列，和目前的主力21160,21161系列，提供與大內存容量結合的簡單浮點算法，具有高水平的浮點性能；
• TigerSHARC系列：從SHARC系列發展而來，比SHARC具有更高的浮點運算功能；

其他

• Motorola：定點DSP 處理器MC56001，浮點DSP芯片MC96002；
• Freescale（Nxp）：MSC8xx系列，DSP56Fxx；

國產

• 進芯電子：仿TI的c2000系列；

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1.3 DSP性能參數

1. 運算速度

• MIPS：百萬條指令/秒，定點DSP芯片運算速度的衡量指標。
• MOPS：百萬操作/秒，通常操作包括CPU操作外，還包括地址計算、DMA訪問數據傳輸、I/O操作等。一般說MOPS越高意味着乘積-累加和運算速度越快。MOPS可以對DSP芯片的性能進行綜合描述。
• MFLOPS：百萬次浮點操作/秒，這是衡量浮點DSP芯片的重要指標。
• ACS：指令周期，即執行一條指令所需的時間，通常以ns（納秒）為單位。
• FFT/FIR執行時間：運行一個N點FFT或N點FIR程序的運算時間，該指標可以作為衡量芯片性能的綜合指標。

2. 運算精度

• 16位、32位定點：動態范圍小，需要注意定標及溢出，功耗低，成本低；
• 32位浮點：動態范圍大，編程相對簡單一些，功耗高；

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1.4 DSP選型其他因素

1. 外設、特定功能需求
   如：同步/異步串口、A/D、D/A、以太網、音頻處理等；
2. 片內存儲
   DSP片內存儲器可用來放程序和數據；
3. 封裝、功耗
   一般定點功耗較低，當然也有低功耗版浮點dsp但其速度很低；
   QFP封裝對底板要求較低，BGA封裝需求多層板；

初次選型建議：

最先考慮C2000系列，如果滿足需求，選型型號: TMS320F28335（支持FPU，150MHz，100元左右）;

其次考慮C674X系列，如TMS320C6747（375~456-MHz，3648 MIPS and 2736 MFLOPS，100元左右）；

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2. DSP基礎開發

從初版學習開發考慮，建議選用TI的DSP，其資源和技術支持均非常成熟。

2.1 開發環境

TI

• 開發工具
  CCS(Code Composer Studio)，提供免費版本。
• 編程語言
  匯編語言和C語言。
• 仿真器
  XDS100、XDS110、XDS200、XDS560等，通常使用性價比較高的XDS100即可。
• 軟件庫
  c2000系列：controlSUITE、C2000Ware(新版)
  其他：有對應的sdk，如TMS320C6747，提供 PROCESSOR-SDK-C6747（包含TI-RTOS）

ADI

• 開發工具
  VISUAL DSP++，提供90天測試版（正版2w左右，每個系列對應一個版本）。
• 編程語言
  匯編語言和C語言。
• 仿真器
  不同系列仿真器不同；
  一般低性能版2000元左右；
• 軟件庫
  Technical Library

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2.2 DSP開發環境搭建（TI）

本章搭建示例基於c2000系列，主要為裸機開發，資源有限不建議運行OS，其他系列可參考搭建。

CCS安裝

經實際測試ccs版本選擇應注意以下事項：
ccs版本較多，win10系統不支持ccs6以下的版本；
ccs6以上的版本去掉了軟件仿真功能；
ccs9版本只支持64位系統（該版本不能移植老版本的軟件仿真功能）；

本文選擇安裝 ccs6

軟件庫安裝

最新ccs9版本推薦使用 c2000ware；
ccs9之前版本使用 controlSUITE；

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CCS基礎工程示例

新建工程

新建一個基於TMS320F28335的工程，如下所示：

空工程組成介紹：

• cmd文件

  由於嵌入式DSP資源比較緊張，存在內部RAM、Flash 和外部RAM與Flash，需要人工干預來進行合理的資源分配；

  鏈接配置文件，給出了程序空間和數據空間的設置，及編譯后各程序段在程序或數據空間的具體位置。類似於IAR的 icf文件和 keil 的sct文件。

  一般ccs工程有兩個cmd文件，一個對寄存器進行存儲映射，一個是對Flash, Ram進行存儲分配。

  上圖中的 28335_RAM_lnk.cmd 定義了程序、數據等在Ram上的分配，即程序運行與ram，通常用於仿真調試，一般情況下直接用TI給的，不需要做修改即可滿足調試用。

  當程序需要下載固化時，選擇 F28335.cmd。

  DSP2833x_Headers_nonBIOS.cmd 這個文件就是寄存器的存儲映射，當工程實際操作硬件時需要添加到工程中。

• targetConfigs

  仿真器的配置，直接雙擊文件選擇使用的仿真器和對應芯片型號即可，后面講述怎么添加軟件仿真器功能。

工程添加軟件庫

已安裝好 controlSUITE。

設備基礎軟件庫：D:\ti\controlSUITE\device_support\f2833x\v142；

• DSP2833x_common 文件夾：存放了DSP2833x 開發所需的外設、內核、DSP運算庫、CMD 等文件。
• DSP2833x_headers 文件夾：存放了DSP2833x 開發所需的外設頭文件、帶和不帶BIOS CMD 等文件。

其他的應用庫到時按需添加。

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下面我們移植官方軟件庫實現簡單的GPIO控制功能。

在工程目錄下面 DSP2833x_Libraries 文件夾，用於存放從controlSUITE中拷貝出來的庫文件。
將 DSP2833x_common 和 DSP2833x_headers 拷貝到 DSP2833x_Libraries目錄中。

在工程中新建 APP（用戶應用驅動），User（用於程序），Libraries（官方庫），cmd等文件夾

最小工程所需文件按下圖所示添加到工程中

工程頭文件路徑包含

GPIO反轉程序編寫

#include"DSP2833x_Device.h"		//芯片型號、外設使能相關宏定義
#include"DSP2833x_Examples.h"	//


/**
 * @brief LED使用GPIO外設初始化
 */
void LED_Init(void)
{
	EALLOW;	//關閉寫保護
	SysCtrlRegs.PCLKCR3.bit.GPIOINENCLK = 1;	// 開啟GPIO時鍾

	//LED1端口配置
	GpioCtrlRegs.GPCMUX1.bit.GPIO68=0;	//設置為通用GPIO功能
	GpioCtrlRegs.GPCDIR.bit.GPIO68=1;	//設置GPIO方向為輸出
	GpioCtrlRegs.GPCPUD.bit.GPIO68=0;	//使能GPIO上拉電阻

	GpioDataRegs.GPCSET.bit.GPIO68=1;	//設置GPIO輸出高電平

	EDIS;	//開啟寫保護
}


/*
 * @brief 主程序
 */
void main(void)
{
	InitSysCtrl();	//系統時鍾初始化，默認已開啟F28335所有外設時鍾
	LED_Init();

	while(1)
	{
		GpioDataRegs.GPCTOGGLE.bit.GPIO68=1;//設置GPIO輸出翻轉信號
		DELAY_US(1000);
	}
	
}

編譯沒有錯誤，基礎工程搭建成功。

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CCS6添加軟件仿真功能

本方法適用於從 ccs6-ccs8.

1.下載仿真功能文件
鏈接: https://pan.baidu.com/s/1eZT7SGoGIRRsxPYCOLz3Xw 提取碼: z94n

2.拷貝文件到ccs指定位置

找到CCS安裝路徑，將網盤中的simulator文件夾復制到CCS安裝路徑中的ccs_base文件夾內；

將網盤中的configurations文件夾復制到ccs_base\common\targetdb\文件夾下；

將網盤中的tisim_connection.xml復制到ccs_base\common\targetdb\connections\文件夾下；

將網盤中的devicer文件夾中的內容復制到安裝路徑ccs_base\common\targetdb\drivers\文件夾下；

重新打開ccs，即可為工程配置軟件仿真如下：

接下來工程就支持軟件仿真了，當然涉及到外設相關操作時會出錯（比如ADC采集）。

2.3 DSP運算仿真實驗

專業術語

功能術語

• FPU：Float Point Unit，浮點運算單元；
• FixedPoint：定點；
• VCU：Viterbi and complex unit，用來執行高效 Viterbi、復雜算術運算，16 位快速傅里葉變換 (FFT) 和 CRC 算法的加速器；
• CLA： 控制律加速器，把一些與控制系統性能息息相關的代碼放到CLA中獨立運行，不占用CPU時間；

庫術語

• RTS：實時運行庫，DSP編程開發，則RTS庫提供C/C++代碼的運行環境，不同功能可能需要選擇器對應的rts庫；
• SGEN：信號產生庫；

數學術語

• DFT：離散傅里葉變換；
• FFT：快速傅里葉變換，是離散傅立葉變換的快速算法；
• CFFT：對復數進行fft變換；
• RFFT：對實序列進行fft變換；
• FIR濾波器：Finite Impulse Response 有限脈沖響應濾波器；
• IIR濾波器：無限沖激響應濾波器；

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正弦函數仿真顯示

測試代碼如下

#include "DSP28x_Project.h"     // Device Headerfile and Examples Include File
#include "math.h"

#define PI  	3.1415926      	//定義圓周率
#define Fs     	1000          	//定義采樣頻率 Hz
#define F1    	100           	//信號頻率  Hz
#define F2    	20
#define Sample_points    1024	//采樣點數

float signal1[Sample_points];
float signal2[Sample_points];

int main(void)
{
    int i;
    float t;

    for(i=0;i<Sample_points;i++)
    {
        t = i*1.0/Fs;
        signal1[i] = sin(2*PI*F1*t);
        signal2[i] = sin(2*PI*F2*t);
    }

    while(1);
}

很簡單的一段代碼，大致意思就是生成了兩個不同頻率的正弦信號，分別保存在了數組signal1和signal2中。

下面我們通過軟件仿真功能將代碼運行起來，同時同步graph工具圖形化顯示函數計算數據。

Graph設置如下：

運行程序，顯示效果如下

接着我們看其傅里葉變換，Graph提供直接生成fft功能，點擊菜單欄Tools->Graph->FFT Magnitude，如圖所示:

正玄函數fft變換顯示如下：

DSP函數庫實現RFFT

這一節將需要進行稍微復雜一點的操作，涉及到變量存儲的分配及cmd文件修改，FFT計算原理，函數庫及其運行支持庫的設置，CFFT相關庫函數等知識點。

#pragma DATA_SECTION

利用CCS進行DSP編程時，如果不指定變量的存儲位置，那么編譯器會自動給變量分配存儲位置。但是，有些時候，需要將某個變量存放到某個特定的位置，這個時候就可以利用#pragma DATA_SECTION指令了。

如進行CFFT和ICFFT都要求輸入的數組格式對齊，即變量存儲的起始地址為2xFFTsize*sizeof(float)，例如256點的FFT變換，則變量的起始地址必須是1024的倍數，格式對齊的方式利用變量定義的方式進行。

如：

#pragma DATA_SECTION(RFFTin1Buff, "RFFTdata1");  
float32 RFFTin1Buff[RFFT_SIZE]; 

定義 RFFTin1Buff 數組到 RFFTdata1的RAM段；

RFFTdata1再cmd文件中進行RAM分配，后面實例代碼中進行說明。

#pragma CODE_SECTION

利用#pragma CODE_SECTION指令可以將程序從Flash搬到RAM中運行，從而提高程序執行速率。

這個部分后面涉及程序優化時再進行詳細描述。

RFFT工程實例

1.拷貝dsp FPU運算庫到工作區間，便於工程引用；

2.給工程添加dsp FPU運算庫，從controlSUITE拷貝；

3.FPU庫頭文件路徑引用及編譯器相關設置

選擇fpu運行庫

FPU頭文件路徑添加

示例程序：

#include "DSP28x_Project.h"     // Device Headerfile and Examples Include File
#include "math.h"
#include "float.h"
#include "FPU.h"	//dsp 浮點運算庫

#define	RFFT_STAGES		8	//RFFT運算階數
#define	RFFT_SIZE		(1 << RFFT_STAGES)

#pragma DATA_SECTION(RFFTin1Buff,"RFFTdata1");  //Buffer alignment for the input array,
float32 RFFTin1Buff[RFFT_SIZE];                 //RFFT_f32u(optional), RFFT_f32(required)
                                                //Output of FFT overwrites input if
                                                //RFFT_STAGES is ODD
#pragma DATA_SECTION(RFFToutBuff,"RFFTdata2");
float32 RFFToutBuff[RFFT_SIZE];                 //Output of FFT here if RFFT_STAGES is EVEN

#pragma DATA_SECTION(RFFTmagBuff,"RFFTdata3");
float32 RFFTmagBuff[RFFT_SIZE/2+1];             //Additional Buffer used in Magnitude calc

#pragma DATA_SECTION(RFFTF32Coef,"RFFTdata4");
float32 RFFTF32Coef[RFFT_SIZE];                 //Twiddle buffer

float	RadStep = 0.1963495408494f;             // Step to generate test bench waveform
float	Rad = 0.0f;

RFFT_F32_STRUCT rfft;

void main(void)
{
	Uint16	i;

//	InitSysCtrl();	//沒有硬件支撐時，予以注銷
	DINT;
//	InitPieCtrl();
	IER = 0x0000;
	IFR = 0x0000;
//	InitPieVectTable();
	EINT;   // Enable Global interrupt INTM
	ERTM;   // Enable Global realtime interrupt DBGM

	// 清空輸入緩存
	for(i=0; i < RFFT_SIZE; i++)
	{
		RFFTin1Buff[i] = 0.0f;
	}

	// 測試樣例波形
	Rad = 0.0f;
	for(i=0; i < RFFT_SIZE; i++)
	{
		RFFTin1Buff[i]   = sin(Rad) + cos(Rad*2.3567); 	// 實部輸入信號
		Rad = Rad + RadStep;
	}

    rfft.FFTSize   = RFFT_SIZE;			// FFT變換的長度，FFTSize=2^stage
    rfft.FFTStages = RFFT_STAGES;		// 傅里葉變換的階數
    rfft.InBuf     = &RFFTin1Buff[0];  	// 輸入數組
    rfft.OutBuf    = &RFFToutBuff[0];  	// 輸出數組
    rfft.CosSinBuf = &RFFTF32Coef[0];  	// 轉化因子數組
    rfft.MagBuf    = &RFFTmagBuff[0];  	// 

    RFFT_f32_sincostable(&rfft);       	// 計算傅里葉變換的轉化因子 Calculate twiddle factor

    for (i=0; i < RFFT_SIZE; i++)
    {
      	RFFToutBuff[i] = 0;			   	//Clean up output buffer
    }

    for (i=0; i < RFFT_SIZE/2; i++)
    {
     	RFFTmagBuff[i] = 0;		       	//Clean up magnitude buffer
    }

    RFFT_f32(&rfft);				   	//實數傅里葉變換

    RFFT_f32_mag(&rfft);				//計算幅值 Calculate magnitude

    for(;;);

} //End of main

上面示例程序中使用 #pragma DATA_SECTION 定義了一些數組到RAM段，這些RAM段須在cmd文件中定義分配。

設置仿真器為軟件仿真器，編譯程序沒有錯誤，然后運行。

設置Graph及數據波形顯示如下：

樣例輸入波形：

RFFT變換之后的波形：

2.4 DSP常用外設

待續......

3. DSP進階開發

本章開發基於TMS320C6748，運行TI-RTOS.

3.1 術語介紹

• RTSC：Real-Time Software Component，實時軟件組件。RTSC是一個基於C的編程模型，用於開發創建或實施嵌入式平台實時軟件組件。
• XDC：eXpress DSP Components，是一個為嵌入式實時系統提供可重用組件（稱作：包）的標准。
• XDCtools：包含使用RTSC的工具和運行時組件，提供了TI-RTOS及其組件（包括SYS/BIOS）需要的底層核心工具。 其功能如同Linux開發中發編譯工具鏈。

總體來說就是TI提供XDC標准的SDK（里面包含如函數庫、BIOS、DSP庫等），通過XDCtools進行編譯，整體以包的形式操作，而無需添加c文件到工程中。

理解CCS的這個工程框架，有利於工程的搭建。

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3.2 C6748工程搭建

工程環境

CCS8.3.0

ti-processor-sdk-rtos-omapl138-lcdk-05.03.00.07

這個組合經測試正常，因為使用TI的sdk需要考慮到 ccs、XDCtools、及sdk三者的版本匹配問題，否則程序無法正確編譯。

很遺憾的是首先老版本軟件仿真器不支持C6748芯片，CCS8.3更是運行軟件仿真器出錯，如需深入調試還是需要硬件支持來調試功能。

工程創建

1. CCS添加sdk包

   Window-->Preferences-->Code Composer Studio-->Products

   點擊Add，添加我們安裝的sdk軟件包

​

我們會看到下面會出現我們芯片所需要的軟件包，點擊Apply，然后ccs會提示安裝sdk里面包含的包，安裝完成后ccs重啟。

2. 新建SYS/BIOS工程

   File-->New-->CCS Project

選擇工程需要的組件

這樣一個基礎的RTOS工程就創建完成，程序編譯正常。