數(shù)字信號處理器DSP與慢速外圍設(shè)備接口的設(shè)計(jì)方法解析

DSP是一種高性能的數(shù)字信號處理器。由于其具有快速的計(jì)算能力和強(qiáng)大的信息處理能力，因此被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化、國防科研等領(lǐng)域中。與常規(guī)單片機(jī)相比，DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和時(shí)序發(fā)生了很大的變化。所以單片機(jī)適用的接口芯片，DSP并不一定適用。對于非常熟悉單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)人員，在進(jìn)行DSP電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意芯片的選型和時(shí)序的搭配。尤其在處理DSP與慢速設(shè)備或器件接口時(shí)，正確的時(shí)序搭配是至關(guān)重要的。

為了適應(yīng)較慢的外部存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備，DSP配備了軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器，可以將外部總線周期擴(kuò)展到數(shù)個(gè)機(jī)器周期。由于受硬件條件的限制，這種擴(kuò)展通常也是有限的，如C54XX系列的DSP最多只能擴(kuò)展到14個(gè)機(jī)器周期，C2XX系列的DSP最多只能擴(kuò)展到7個(gè)機(jī)器周期。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，經(jīng)常會(huì)遇到讀寫周期更慢的輸入/輸出設(shè)備，如液晶顯示模塊、打印機(jī)、鍵盤等。因此，僅通過軟件編程控制內(nèi)部狀態(tài)等待發(fā)生器是不能實(shí)現(xiàn)輸入/輸出時(shí)序匹配的，必須進(jìn)行外部硬件擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

在DSP與慢速外圍設(shè)備接口設(shè)計(jì)過程中，通常采用雙CPU的方法，由DSP完成高速數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，用普通單片機(jī)（如51系列單片機(jī)）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入/輸出功能。這種方法由于采用兩種結(jié)構(gòu)不同的CPU，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且接口和調(diào)試難度加大。本文將利用DSP的READY（外部設(shè)備準(zhǔn)備就緒）引腳，通過硬件擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)外部狀態(tài)自動(dòng)等待，從而使DSP與慢速輸入/輸出設(shè)備能直接連接以實(shí)現(xiàn)訪問的時(shí)序匹配。這種方法接口容易，硬件擴(kuò)展電路并不復(fù)雜，而且內(nèi)、外等待狀態(tài)結(jié)合起來使用，可產(chǎn)生任何數(shù)目的等待狀態(tài)，甚至可以將外部硬件等待狀態(tài)設(shè)計(jì)為受控方式，只在需要的時(shí)候啟動(dòng)外部等待狀態(tài)。這樣，使用的時(shí)候就會(huì)更加靈活。

1 DSP的I/O讀寫時(shí)序

現(xiàn)以TMS320F206 DSP芯片為例進(jìn)行介紹。其時(shí)鐘頻率設(shè)20MHz，它的外部讀寫時(shí)序如圖1所示。

TMS320F206的讀周期為一個(gè)時(shí)鐘周期（5ns），寫周期為兩個(gè)時(shí)鐘周期。讀、寫操作數(shù)據(jù)的保持時(shí)間T1、T2只有幾個(gè)納秒。內(nèi)部可編程等待狀態(tài)發(fā)生器最多只能擴(kuò)展到等待7個(gè)時(shí)鐘周期，即350ns。利用內(nèi)部狀態(tài)等待，只能實(shí)現(xiàn)DSP與常用單片機(jī)的外圍芯片的讀寫時(shí)序相匹配。

2 慢速設(shè)備的讀寫時(shí)序

現(xiàn)以MDL（S）16465字符液晶顯示模塊為例進(jìn)行介紹。其讀寫時(shí)序如圖2和圖3所示。

該液晶模塊的讀寫周期Tcyc最小為1000ns。脈沖寬度Pw最小為450ns，讀寫操作數(shù)據(jù)保持時(shí)間最小為10ns。如果采用直接連接方式將TMS320F206與該液晶模塊接口，即使采用最大的狀態(tài)等待數(shù)目，DSP的讀寫時(shí)序也不能滿足該液晶模塊的要求。為實(shí)現(xiàn)二者的時(shí)序匹配，本文將給出一種合適的外部硬件等待擴(kuò)展方法，以實(shí)現(xiàn)DSP與液晶模塊的直接讀寫訪問控制。

3 DSP的READY信號

TMS320F206提供兩種狀態(tài)等待選項(xiàng)，一種是片內(nèi)狀態(tài)等待產(chǎn)品器，可以實(shí)現(xiàn)有限的可編程狀態(tài)等待；另一種是READY信號，利用它可進(jìn)行硬件擴(kuò)展，從片外產(chǎn)生任何數(shù)目的狀態(tài)等待。

DSP在進(jìn)行外部讀寫操作時(shí)，如果READY引腳信號為低電平，DSP將等待一個(gè)時(shí)鐘周期后再次檢查READY信號。在READY引腳被驅(qū)動(dòng)至高電平之前，程序處于等待狀態(tài)，將不會(huì)繼續(xù)往下執(zhí)行。如果不使用READY信號，DSP在進(jìn)行外部訪問期間內(nèi)，READY應(yīng)始終保持高電平。

利用DSP的READY信號和相關(guān)外部訪問控制信號，通過硬件擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)外部自動(dòng)狀態(tài)等待，從而使DSP能夠與慢速外部設(shè)備進(jìn)行直接連接訪問。

4 DSP與慢速外部設(shè)備的直接訪問接口

外部狀態(tài)等待硬件擴(kuò)展電路采用一片12級的二進(jìn)制波紋計(jì)數(shù)器74HC4040來實(shí)現(xiàn)，該芯片每一級的輸出信號的頻率為前級的一半。將TMS320F206的時(shí)鐘輸出信號CLKOUT1作為74HC4040的輸入時(shí)鐘，如果CLKOUT1為20MHz，那么最大等待時(shí)間可以達(dá)到2 12×50ns，使用者可以根據(jù)外部設(shè)備的時(shí)序需要選用74HC4040的不同輸出引腳進(jìn)行等待控制。由于輸入時(shí)鐘的頻率較高，一般的CD4040或MC14040芯片響應(yīng)速度不夠快，至少應(yīng)選和74HC4040或響應(yīng)速度更快的芯片。

自動(dòng)硬件等待擴(kuò)展電路如圖4所示。選用74HC4040的Q5腳輸出作為延時(shí)等待控制，等待時(shí)間為1600ns。將Q4腳輸出信號分別與DSP的讀寫信號相或，產(chǎn)生外部設(shè)備的讀寫控制信號，這樣可以充分保證讀寫操作時(shí)數(shù)據(jù)的保持時(shí)間。該電路所產(chǎn)生的時(shí)序如圖5所示。

經(jīng)過以上硬件狀態(tài)等待擴(kuò)展，DSP以外部設(shè)備讀寫周期達(dá)到1600ns，讀寫操作的數(shù)據(jù)保持時(shí)間大于20ns，滿足液晶模塊的時(shí)序要求。此外，DSP在進(jìn)行內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)訪問時(shí)，READY始終為高電平，不影響DSP的內(nèi)部運(yùn)行速度。應(yīng)用該電路，DSP與MDL（S）16465液晶模塊的直接訪問連接如圖6所示。

RS為液晶模塊的數(shù)據(jù)指令控制輸入端，“1”表示數(shù)據(jù)，“0”表示指令；R/W為讀寫控制輸入端，“1”為讀操作，“0”為寫操作；E為使能控制輸入端，高電平有效。按圖6的接法，用兩根地址線A8、A9分別與RS、R/W相連，根據(jù)每個(gè)引腳的功能定義，液晶模塊的指令口寫地址為0000H，指令口讀地址為0200H，數(shù)據(jù)口寫地址為0100H，數(shù)據(jù)口讀地址0300H。DSP對液晶模塊的訪問控制子程序如下：

lcdcwaddr .set 0000h ;指令口寫地址

lcdcraddr .set 0200h ;指令口讀地址

lcddwaddr .set 0100h ;數(shù)據(jù)口寫地址

lcddraddr .set 0300h ;數(shù)據(jù)口讀地址

lcdenable:splk #6ff2h，60h ;io1=1

out 60h，iosr ;lcd enabled

ret

lcddisable:splk #6ff0h，60h ;io1=0

out 60h，iosr ;lcd disabled

lcdrw： call lcdenable

in 60h，［讀地址］ ；讀操作

out 61h，［寫地址］ ；寫操作

call lcddisable

ret

利用TMS320F206的IO1作為讀寫使能控制信號調(diào)用LCDENABLE和LCDDISABLE兩個(gè)子程序打開和關(guān)閉對液晶模塊的訪問功能。除了需要調(diào)用兩個(gè)簡單的控制子函數(shù)以外，讀寫操作分別由IN和OUT兩條指令完成，實(shí)現(xiàn)對該液晶模塊的直接讀寫訪問。由于該液晶模塊沒有單獨(dú)的讀寫控制引腳，訪問控制要求比較特殊，所以只能按照圖6的方式進(jìn)行連接。

如果外部設(shè)備具有單獨(dú)的讀寫控制引腳，可直接與圖4中的DEV-RD和DEV-WE分別相連，然后將數(shù)據(jù)線與地址線對應(yīng)連接，就能夠進(jìn)行直接讀寫訪問控制。作者為處理鍵盤輸入和打印機(jī)輸出接口時(shí)，就是采用這種連接方式。使用結(jié)果表明，訪問和控制都十分可靠。

由于DSP的應(yīng)用日益廣泛，作為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)和測試設(shè)備，參數(shù)設(shè)備、結(jié)果顯示等基本的輸入/輸出功能是必不可少的。因此，DSP與慢速設(shè)備的接口將是各種科研和開發(fā)中經(jīng)常遇到的問題。本文給出的硬件接口方法能夠?qū)崿F(xiàn)DSP的外部訪問自動(dòng)狀態(tài)待，使高速的DSP芯片與傳統(tǒng)的慢速輸入輸出設(shè)備融入一個(gè)系統(tǒng)，不僅有效地解決了DSP與各種慢速設(shè)備訪問時(shí)序的匹配問題，而且硬件電路設(shè)計(jì)簡單、訪問直接、控制編程容易，進(jìn)一步拓展了DSP在工業(yè)自動(dòng)控制和測試設(shè)備中的應(yīng)用空間。
來源；電子工程網(wǎng)