DSP开发笔记一
前言
本笔记首先对DSP的特点及其选型进行了描述,然后重点记录DSP开发环境的搭建及基础工程示例,对为DSP开发新手有一定的指导作用。
1. DSP简介
1.1 主要特点
- 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;
- 程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;
- 片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;
- 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;
- 快速的中断处理和硬件I/O支持;
- 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;
- 可以并行执行多个操作;
- 支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
1.2 主要厂商
TI
- 面向数字控制、运动控制的TMS320C2000系列;
- 面向低功耗、手持设备、无线终端应用的TMS320C5000系列;
- 面向高性能、多功能、复杂应用领域的TMS320C6000系列
ADI
- 21xx系列:16位定点dsp,主要以218x和219x系列为代表,性能优异,内部RAM大,外围接口多,适合作为控制类芯片使用;
- SigmaDSP:完全可编程的单芯片音频DSP;
- blackfin系列:ADI最新推出的一款dsp,是高性能16位DSP信号处理能力与通用微控制器使用方便的性能结合;
- SHARC 系列:32位浮点dsp,包括前期的2106x系列,和目前的主力21160,21161系列,提供与大内存容量结合的简单浮点算法,具有高水平的浮点性能;
- TigerSHARC系列:从SHARC系列发展而来,比SHARC具有更高的浮点运算功能;
其他
- Motorola:定点DSP 处理器MC56001,浮点DSP芯片MC96002;
- Freescale(Nxp):MSC8xx系列,DSP56Fxx;
国产
- 进芯电子:仿TI的c2000系列;
1.3 DSP性能参数
- 运算速度
- MIPS:百万条指令/秒,定点DSP芯片运算速度的衡量指标。
- MOPS:百万操作/秒,通常操作包括CPU操作外,还包括地址计算、DMA访问数据传输、I/O操作等。一般说MOPS越高意味着乘积-累加和运算速度越快。MOPS可以对DSP芯片的性能进行综合描述。
- MFLOPS:百万次浮点操作/秒,这是衡量浮点DSP芯片的重要指标。
- ACS:指令周期,即执行一条指令所需的时间,通常以ns(纳秒)为单位。
- FFT/FIR执行时间:运行一个N点FFT或N点FIR程序的运算时间,该指标可以作为衡量芯片性能的综合指标。
- 运算精度
- 16位、32位定点:动态范围小,需要注意定标及溢出,功耗低,成本低;
- 32位浮点:动态范围大,编程相对简单一些,功耗高;
1.4 DSP选型其他因素
- 外设、特定功能需求
如:同步/异步串口、A/D、D/A、以太网、音频处理等; - 片内存储
DSP片内存储器可用来放程序和数据; - 封装、功耗
一般定点功耗较低,当然也有低功耗版浮点dsp但其速度很低;
QFP封装对底板要求较低,BGA封装需求多层板;
初次选型建议:
最先考虑C2000系列,如果满足需求,选型型号: TMS320F28335(支持FPU,150MHz,100元左右);
其次考虑C674X系列,如TMS320C6747(375~456-MHz,3648 MIPS and 2736 MFLOPS,100元左右);
2. DSP基础开发
从初版学习开发考虑,建议选用TI的DSP,其资源和技术支持均非常成熟。
2.1 开发环境
TI
- 开发工具
CCS(Code Composer Studio),提供免费版本。 - 编程语言
汇编语言和C语言。 - 仿真器
XDS100、XDS110、XDS200、XDS560等,通常使用性价比较高的XDS100即可。 - 软件库
c2000系列:controlSUITE、C2000Ware(新版)
其他:有对应的sdk,如TMS320C6747,提供 PROCESSOR-SDK-C6747(包含TI-RTOS)
ADI
- 开发工具
VISUAL DSP++,提供90天测试版(正版2w左右,每个系列对应一个版本)。 - 编程语言
汇编语言和C语言。 - 仿真器
不同系列仿真器不同;
一般低性能版2000元左右; - 软件库
Technical Library
2.2 DSP开发环境搭建(TI)
本章搭建示例基于c2000系列,主要为裸机开发,资源有限不建议运行OS,其他系列可参考搭建。
CCS安装
经实际测试ccs版本选择应注意以下事项:
ccs版本较多,win10系统不支持ccs6以下的版本;
ccs6以上的版本去掉了软件仿真功能;
ccs9版本只支持64位系统(该版本不能移植老版本的软件仿真功能);
本文选择安装 ccs6
软件库安装
最新ccs9版本推荐使用 c2000ware;
ccs9之前版本使用 controlSUITE;
CCS基础工程示例
新建工程
新建一个基于TMS320F28335的工程,如下所示:
空工程组成介绍:
cmd文件
由于嵌入式DSP资源比较紧张,存在内部RAM、Flash 和外部RAM与Flash,需要人工干预来进行合理的资源分配;
链接配置文件,给出了程序空间和数据空间的设置,及编译后各程序段在程序或数据空间的具体位置。类似于IAR的 icf文件和 keil 的sct文件。
一般ccs工程有两个cmd文件,一个对寄存器进行存储映射,一个是对Flash, Ram进行存储分配。
上图中的 28335_RAM_lnk.cmd 定义了程序、数据等在Ram上的分配,即程序运行与ram,通常用于仿真调试,一般情况下直接用TI给的,不需要做修改即可满足调试用。
当程序需要下载固化时,选择 F28335.cmd。
DSP2833x_Headers_nonBIOS.cmd 这个文件就是寄存器的存储映射,当工程实际操作硬件时需要添加到工程中。
targetConfigs
仿真器的配置,直接双击文件选择使用的仿真器和对应芯片型号即可,后面讲述怎么添加软件仿真器功能。
工程添加软件库
已安装好 controlSUITE。
设备基础软件库:D:\ti\controlSUITE\device_support\f2833x\v142;
- DSP2833x_common 文件夹:存放了DSP2833x 开发所需的外设、内核、DSP运算库、CMD 等文件。
- DSP2833x_headers 文件夹:存放了DSP2833x 开发所需的外设头文件、带和不带BIOS CMD 等文件。
其他的应用库到时按需添加。
下面我们移植官方软件库实现简单的GPIO控制功能。
在工程目录下面 DSP2833x_Libraries 文件夹,用于存放从controlSUITE中拷贝出来的库文件。
将 DSP2833x_common 和 DSP2833x_headers 拷贝到 DSP2833x_Libraries目录中。
在工程中新建 APP(用户应用驱动),User(用于程序),Libraries(官方库),cmd等文件夹
最小工程所需文件按下图所示添加到工程中
工程头文件路径包含
GPIO反转程序编写
#include"DSP2833x_Device.h" //芯片型号、外设使能相关宏定义
#include"DSP2833x_Examples.h" //
/**
* @brief LED使用GPIO外设初始化
*/
void LED_Init(void)
{
EALLOW; //关闭写保护
SysCtrlRegs.PCLKCR3.bit.GPIOINENCLK = 1; // 开启GPIO时钟
//LED1端口配置
GpioCtrlRegs.GPCMUX1.bit.GPIO68=0; //设置为通用GPIO功能
GpioCtrlRegs.GPCDIR.bit.GPIO68=1; //设置GPIO方向为输出
GpioCtrlRegs.GPCPUD.bit.GPIO68=0; //使能GPIO上拉电阻
GpioDataRegs.GPCSET.bit.GPIO68=1; //设置GPIO输出高电平
EDIS; //开启写保护
}
/*
* @brief 主程序
*/
void main(void)
{
InitSysCtrl(); //系统时钟初始化,默认已开启F28335所有外设时钟
LED_Init();
while(1)
{
GpioDataRegs.GPCTOGGLE.bit.GPIO68=1;//设置GPIO输出翻转信号
DELAY_US(1000);
}
}
编译没有错误,基础工程搭建成功。
CCS6添加软件仿真功能
本方法适用于从 ccs6-ccs8.
1.下载仿真功能文件
链接: https://pan.baidu.com/s/1eZT7SGoGIRRsxPYCOLz3Xw 提取码: z94n
2.拷贝文件到ccs指定位置
找到CCS安装路径,将网盘中的simulator文件夹复制到CCS安装路径中的ccs_base文件夹内;
将网盘中的configurations文件夹复制到ccs_base\common\targetdb\文件夹下;
将网盘中的tisim_connection.xml复制到ccs_base\common\targetdb\connections\文件夹下;
将网盘中的devicer文件夹中的内容复制到安装路径ccs_base\common\targetdb\drivers\文件夹下;
重新打开ccs,即可为工程配置软件仿真如下:
接下来工程就支持软件仿真了,当然涉及到外设相关操作时会出错(比如ADC采集)。
2.3 DSP运算仿真实验
专业术语
功能术语
- FPU:Float Point Unit,浮点运算单元;
- FixedPoint:定点;
- VCU:Viterbi and complex unit,用来执行高效 Viterbi、复杂算术运算,16 位快速傅里叶变换 (FFT) 和 CRC 算法的加速器;
- CLA: 控制律加速器,把一些与控制系统性能息息相关的代码放到CLA中独立运行,不占用CPU时间;
库术语
- RTS:实时运行库,DSP编程开发,则RTS库提供C/C++代码的运行环境,不同功能可能需要选择器对应的rts库;
- SGEN:信号产生库;
数学术语
- DFT:离散傅里叶变换;
- FFT:快速傅里叶变换,是离散傅立叶变换的快速算法;
- CFFT:对复数进行fft变换;
- RFFT:对实序列进行fft变换;
- FIR滤波器:Finite Impulse Response 有限脉冲响应滤波器;
- IIR滤波器:无限冲激响应滤波器;
正弦函数仿真显示
测试代码如下
#include "DSP28x_Project.h" // Device Headerfile and Examples Include File
#include "math.h"
#define PI 3.1415926 //定义圆周率
#define Fs 1000 //定义采样频率 Hz
#define F1 100 //信号频率 Hz
#define F2 20
#define Sample_points 1024 //采样点数
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);
}
很简单的一段代码,大致意思就是生成了两个不同频率的正弦信号,分别保存在了数组signal1和signal2中。
下面我们通过软件仿真功能将代码运行起来,同时同步graph工具图形化显示函数计算数据。
Graph设置如下:
运行程序,显示效果如下
接着我们看其傅里叶变换,Graph提供直接生成fft功能,点击菜单栏Tools->Graph->FFT Magnitude,如图所示:
正玄函数fft变换显示如下:
DSP函数库实现RFFT
这一节将需要进行稍微复杂一点的操作,涉及到变量存储的分配及cmd文件修改,FFT计算原理,函数库及其运行支持库的设置,CFFT相关库函数等知识点。
#pragma DATA_SECTION
利用CCS进行DSP编程时,如果不指定变量的存储位置,那么编译器会自动给变量分配存储位置。但是,有些时候,需要将某个变量存放到某个特定的位置,这个时候就可以利用#pragma DATA_SECTION指令了。
如进行CFFT和ICFFT都要求输入的数组格式对齐,即变量存储的起始地址为2xFFTsize*sizeof(float),例如256点的FFT变换,则变量的起始地址必须是1024的倍数,格式对齐的方式利用变量定义的方式进行。
如:
#pragma DATA_SECTION(RFFTin1Buff, "RFFTdata1");
float32 RFFTin1Buff[RFFT_SIZE];
定义 RFFTin1Buff 数组到 RFFTdata1的RAM段;
RFFTdata1再cmd文件中进行RAM分配,后面实例代码中进行说明。
#pragma CODE_SECTION
利用#pragma CODE_SECTION指令可以将程序从Flash搬到RAM中运行,从而提高程序执行速率。
这个部分后面涉及程序优化时再进行详细描述。
RFFT工程实例
1.拷贝dsp FPU运算库到工作区间,便于工程引用;
2.给工程添加dsp FPU运算库,从controlSUITE拷贝;
3.FPU库头文件路径引用及编译器相关设置
选择fpu运行库
FPU头文件路径添加
示例程序:
#include "DSP28x_Project.h" // Device Headerfile and Examples Include File
#include "math.h"
#include "float.h"
#include "FPU.h" //dsp 浮点运算库
#define RFFT_STAGES 8 //RFFT运算阶数
#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(); //没有硬件支撑时,予以注销
DINT;
// InitPieCtrl();
IER = 0x0000;
IFR = 0x0000;
// InitPieVectTable();
EINT; // Enable Global interrupt INTM
ERTM; // Enable Global realtime interrupt DBGM
// 清空输入缓存
for(i=0; i < RFFT_SIZE; i++)
{
RFFTin1Buff[i] = 0.0f;
}
// 测试样例波形
Rad = 0.0f;
for(i=0; i < RFFT_SIZE; i++)
{
RFFTin1Buff[i] = sin(Rad) + cos(Rad*2.3567); // 实部输入信号
Rad = Rad + RadStep;
}
rfft.FFTSize = RFFT_SIZE; // FFT变换的长度,FFTSize=2^stage
rfft.FFTStages = RFFT_STAGES; // 傅里叶变换的阶数
rfft.InBuf = &RFFTin1Buff[0]; // 输入数组
rfft.OutBuf = &RFFToutBuff[0]; // 输出数组
rfft.CosSinBuf = &RFFTF32Coef[0]; // 转化因子数组
rfft.MagBuf = &RFFTmagBuff[0]; //
RFFT_f32_sincostable(&rfft); // 计算傅里叶变换的转化因子 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); //实数傅里叶变换
RFFT_f32_mag(&rfft); //计算幅值 Calculate magnitude
for(;;);
} //End of main
上面示例程序中使用 #pragma DATA_SECTION 定义了一些数组到RAM段,这些RAM段须在cmd文件中定义分配。
设置仿真器为软件仿真器,编译程序没有错误,然后运行。
设置Graph及数据波形显示如下:
样例输入波形:
RFFT变换之后的波形:
2.4 DSP常用外设
待续......
3. DSP进阶开发
本章开发基于TMS320C6748,运行TI-RTOS.
3.1 术语介绍
- RTSC:Real-Time Software Component,实时软件组件。RTSC是一个基于C的编程模型,用于开发创建或实施嵌入式平台实时软件组件。
- XDC:eXpress DSP Components,是一个为嵌入式实时系统提供可重用组件(称作:包)的标准。
- XDCtools:包含使用RTSC的工具和运行时组件,提供了TI-RTOS及其组件(包括SYS/BIOS)需要的底层核心工具。 其功能如同Linux开发中发编译工具链。
总体来说就是TI提供XDC标准的SDK(里面包含如函数库、BIOS、DSP库等),通过XDCtools进行编译,整体以包的形式操作,而无需添加c文件到工程中。
理解CCS的这个工程框架,有利于工程的搭建。
3.2 C6748工程搭建
工程环境
ti-processor-sdk-rtos-omapl138-lcdk-05.03.00.07
这个组合经测试正常,因为使用TI的sdk需要考虑到 ccs、XDCtools、及sdk三者的版本匹配问题,否则程序无法正确编译。
很遗憾的是首先老版本软件仿真器不支持C6748芯片,CCS8.3更是运行软件仿真器出错,如需深入调试还是需要硬件支持来调试功能。
工程创建
CCS添加sdk包
Window-->Preferences-->Code Composer Studio-->Products
点击Add,添加我们安装的sdk软件包
我们会看到下面会出现我们芯片所需要的软件包,点击Apply,然后ccs会提示安装sdk里面包含的包,安装完成后ccs重启。
新建SYS/BIOS工程
File-->New-->CCS Project
选择工程需要的组件
这样一个基础的RTOS工程就创建完成,程序编译正常。
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