DSP與單片機(jī)高速通信的實(shí)現(xiàn)方案分析

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是一種適合于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，具有下列主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）采用改進(jìn)型哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)空間，允許實(shí)際在程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間進(jìn)行傳輸；（2）支持流水線處理，處理器對(duì)每條指令的操作分為取指、譯碼、執(zhí)行等幾個(gè)階段，在某一時(shí)刻同時(shí)對(duì)若干條指令進(jìn)行不同階段的處理；（3）片內(nèi)含有專門的硬件乘法器，使乘法可以在單周期內(nèi)完成；（4）特殊的指令結(jié)構(gòu)和尋址方式，滿足數(shù)字信號(hào)處理FFT、卷積等運(yùn)算要求；（5）快速的指令周期，能夠在每秒鐘內(nèi)處理數(shù)以千萬(wàn)次乃至數(shù)億次定點(diǎn)或浮點(diǎn)運(yùn)算；（6）大多設(shè)置了單獨(dú)的DMA總線及其控制器，可以在基本不影響數(shù)字信號(hào)處理速度的情況下進(jìn)行高速的并行數(shù)據(jù)傳送。
　　由一片DSP加上存儲(chǔ)器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元和外設(shè)接口就可以構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，但這種方案要達(dá)到高速實(shí)時(shí)控制是不可行的。因?yàn)橐粋€(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)一般需要完成數(shù)據(jù)采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、分析計(jì)算、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)過(guò)程控制以及顯示等任務(wù)，單靠一片DSP來(lái)完成這些工作勢(shì)必會(huì)大大延長(zhǎng)系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象的控制周期，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。所以我們添加一個(gè)CPU，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、過(guò)程控制以及人機(jī)接口等任務(wù)，使DSP專注于系統(tǒng)控制算法的實(shí)現(xiàn)，充分利用它的高速數(shù)據(jù)處理能力。從性能價(jià)格比的角度出發(fā)，這個(gè)CPU采用8位的51系列單片機(jī)。這時(shí)，兩個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)共享就成了一個(gè)重要的問(wèn)題。
　　采用雙口RAM（簡(jiǎn)稱DRAM）是解決CPU之間的數(shù)據(jù)共享的有效辦法。與串行通信相比，采用雙口RAM不僅數(shù)據(jù)傳輸速度高，而且抗干擾性能好。在筆者實(shí)驗(yàn)室研制的電力有源濾波器中，選用了TI公司的第三代DSP芯片TMS320C32和51系列單片機(jī)89C52作為控制系統(tǒng)的CPU。兩個(gè)CPU之間通過(guò)雙口RAM CY7C133完成數(shù)據(jù)交換。但在實(shí)際使用過(guò)程中遇到了89C52 與雙口RAM總線寬度不匹配的問(wèn)題，需要進(jìn)行接口電路的設(shè)計(jì)。
　　2 雙口RAM CY7C133的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能
　　CY7C133是CYPRESS公司研制的高速2K×16CMOS雙端口靜態(tài)RAM，具有兩套相互獨(dú)立、完全對(duì)稱的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，采用68腳 PLCC封裝形式，最大訪問(wèn)時(shí)間可以為25/35/55 ns。采用主從模式可以方便地將數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展成32位或更寬。各引腳的功能如表1所示，內(nèi)部功能框圖如圖1所示。
　　
　　CY7C133允許兩個(gè)CPU同時(shí)讀取任何存儲(chǔ)單元（包括同時(shí)讀同一地址單元），但不允許同時(shí)寫(xiě)或一讀一寫(xiě)同一地址單元，否則就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。雙口RAM中引入了仲裁邏輯（忙邏輯）電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：當(dāng)左右兩端口同時(shí)寫(xiě)入或一讀一寫(xiě)同一地址單元時(shí)，先穩(wěn)定的地址端口通過(guò)仲裁邏輯電路優(yōu)先讀寫(xiě)，同時(shí)內(nèi)部電路使另一個(gè)端口的信號(hào)有效，并在內(nèi)部禁止對(duì)方訪問(wèn)，直到本端口操作結(jié)束。BUSY信號(hào)可以作為中斷源指明本次操作非法。在主從模式中，主芯片的信號(hào)接上拉電阻作為輸出，從芯片的信號(hào)作為寫(xiě)禁止輸入。
　　3 DSP、單片機(jī)與雙口RAM之間的接口電路
　　89C52的地址總線寬度為16位，數(shù)據(jù)總線為8位；TMS320C32的數(shù)據(jù)總線寬度為32位，地址總線寬度為24位。而CY7C133的數(shù)據(jù)總線寬度為16位，地址總線寬度為11位，所以TMS320C32與雙口RAM的接口并無(wú)特別之處，但是89C52與雙口RAM之間的接口電路中就需要對(duì)89C52進(jìn)行總線擴(kuò)展了。具體做法是利用鎖存器74HC373的鎖存功能，通過(guò)對(duì)其使能信號(hào)的控制，進(jìn)行分時(shí)讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線的擴(kuò)展，即利用鎖存器作為虛擬總線。具體的讀寫(xiě)過(guò)程、讀寫(xiě)信號(hào)及鎖存器使能信號(hào)的產(chǎn)生將在下面詳細(xì)說(shuō)明。DSP、單片機(jī)與雙口RAM之間的接口電路如圖2所示。