TMS320F206设计中应注意的几个问题

    摘要：TMS320F206是TI公司TMS320C2XX系列芯片中具有代表性的一种，在介绍其特点、结构与性能的基础上，重点阐述了TMS320F206在软件及硬件设计中应注意的几个问题，给出了作者的一些实际经验。

    关键词：DSP TMS320F206 软件设计 硬件设计

数字化已成为电子、通信和信息技术的发展趋势与潮流。在这种趋势与潮流的推动下，数字信号处理的理论与实现手段获得了快速的发展，已成为当代发展最快的学科之一。而DSP芯片作为数字信号处理，尤其是实时数字信号处理的主要方法和手段，自20世纪70年代末、80年代初诞生以来，无论在性能上还是在价格上，都取得了突破性的迅猛发展。从定点到浮点直到并行处理芯片，DSP芯片的功能越来越强、速度越来越快（例如TI公司的并行处理芯片C6000系列的速度达到了2400MIPS的高指标）；而且，DSP芯片的价格越来越低，开发与设计手段越来越多样化、越来越容易。越来越高的性能价格比、日渐完善的开发方式使DSP的应用范围越来越大，已经广泛地应用于通信、雷达、声纳、遥感、生物医学、机器人、控制、精密机械、语音和图像处理等领域。可以毫不夸张地说，以DSP芯片为基础的数字信号处理技术已成为当代电子、通信和信息处理技术不可或缺的重要手段。

从全球范围来看，生产DSP芯片的厂家主要有美国的TI公司、AD公司、Motorola公司以及Lucent公司等。其中TI公司以其卓越的产品性能、多层镒的产品系列、良好的性能价格比以及较好的售后服务，使其TMS320系列DSP芯片占据了接近一半的国际市场份额。从定点、浮点到并行，已形成了一个较为完整的产品系列，因而获得了最广泛的应用。

TMS320系列产品大致是沿着下面三个方向在不断发展的。

定点DSP：C1X→C2X→C2XX→C5X→C54X→…；

浮点DSP：C3X→C4X→…；

内含多处理器的DSP：C8X→C6X…；

TI公司的TMS320C2XX系列芯片是采用静态CMOS集成电路工艺制造的，其结构以C5X为基础。C2XX和C5X操作灵活、速度高，这是由于采和先进哈佛结构（程序存储器和数据存储器具有各自的总线）、多级流水线、片内外设、片内存储器和专用的指令集的结果。C2XX的速度高达40MIPS。C2XX产品具有以下优点：

·改进TMS320的结构设计，使其性能和通用性得以提高。

·采和模块化结构设计，可以更快地开发各种产品。

·采用先进的集成电路工艺以提高性能。

·其源码与C1X、C2X兼容，能更快、更容易地对C1X、C2X进行升级。

·其增强型指令集适用于快速算法和适合于优化高级语言操作。

·采用新的静态设计技术使其功耗最低。

1 TMS320F206的结构与性能特点

TMS320F206是TI公司C2XX系列产品中非常具有代表性的一种，它含有丰富的片内外设和片内存储器；尤其是片内含有可作为程序存储器的32K闪速存储器（Flash Ram）。用户可通过TMS320F206自带的符合IEEE标准1149.1的JTAG接口将可执行程序代码直接烧录到芯片仙部，并可通过该接口程序进行仿真与测试。基于JTAG的结构，极大地方便了用户的系统设计与程序调试，从而使TMS320F206获得了广泛的应用。

TMS320F206的主要特点如下：

（1）从速度上来看，其单周期指令执行时间为50、35、25ns，处理速度可达20、28.5或40MIPS。从兼容性来看，其源代码与C1X和C2X全部产生兼容，与C5X产品向上兼容。

（2）可寻址的存储器空间为224K字（程序空间64K字，数据空间64K字，I/O空间64K字，还有32字全局存储空间）。其中，片内双访问RAM 544字（288字用于数据，另256字可用于程序或数据），片内闪速存储器（Flash Ram）32K字，片内单访问RAM 4K字。

(3)从CPU的结构来看，含有32位算术逻辑单元（CALU）和32位累加器，16位并行乘法器（乘积为32位），3个比例移位器，用于间接寻址数据存储器的8个辅助寄存器，并有专用的算术单元。在程序控制方面，有4级流水线操作和8级硬件中断，并有用户可屏蔽的中断线。

（4）具有6组16比特总线，它们是：

.PAB程序地址总线，提供读、写程序存储器的地址。

.PRAB数据读地址总线，提供读数据存储器的地址。

.DWAB数据写地址总线，提供写数据存储器的地址。

.PRDB程序读总线，将指令代码和立即数从程序存储器传送到CPU。

.DRDB数据读总线，承载数据传到数据存储器和程序存储器。

.DWEB数据写总线，承载数据传送到程序存储器和数据存储器。

（5）含有功能强大的指令集，包括单指令重复操作、单周期相乘/累加、存储器块移动、变址寻址能力、适合基于2 FFT的倒位序变址能力。

（6）含有丰富的片内外设，包括软件可编程的定时器；适用于程序、数据和I/O存储空间的软件可编程等待状态产生器；振荡器与锁相环（可实现时钟选择：×1、×2、×4和除2模式）；CLK寄存器（可控制CLKOUT1引脚的开启与关闭）；同步串行口（SSP）；异步串行口（ASP）。

（7）含有用于仿真和测试的片内扫描逻辑电路（IEEE标准1149.1）；5V或3.3V电源静态CMOS工艺；可以降低功耗模式工作以减少功率消耗；封装形式为100线薄型四边有引线扁平封装（TQFP）。

2 TMS320F206系统设计中应注意的几个问题

2.1 速度和时钟

从运行速度上看，TMS320F206有20、28.5和40MIPS三个具体片种，三种芯片的价格差异较大。40MIPS的DSP可用于20MIPS的低速率，反之则不行。因此在选择芯片时，要意识到速度的差异，应根据实际的需要选择合适的芯片，以求获得最优的性能价格比。

TMS320F206有32K的片内Flash Ram，可满足大多数应用场合对程序存储空间的需要。可执行程序代码烧录进Flash Ram是通过JTAG仿真测试口完成的。但必须注意的是：无论对于40MIPS，还是20MIPS或28.5MIPS的DSP芯片，程度代码成功烧录进片内Flash Ram的前提条件是TMS320F206工作于20MIPS，亦即CLKOUT1时钟频率应为20MHz/50ns，否则程序无法烧录进DPS内的Flash Ram。所以，在设计中，如果希望TMS320F206的运算速度超过20MIPS,且把Flash Ram作为程序存储空间，则应注意主时钟CLKOUT1的设计。在利用外时钟源的情况下，可利用两个引脚DIV1和DIV2为高低电平来确定CLKOUT1与外时钟源的对应关系。当DIV2和DIV1分别为低电平和高电平时，二者相等；当DIV2和DIV1分别为高电平和低电平时，CLKOUT1两倍于外时钟源。所以，如果要求在程序运行时，CLKOUT1的速率超过20MHz，可采用将时钟确定为外部时钟模式的方法，同时使外部时钟源的频率不大于20MHz，然后根据程序运行或程序烧录时所需时钟的不， 通过跳线确定DIV1和DIV2的高低电平，从而分别满足程序运行和程序烧录时不同的时钟需要。例如，希望TMS320F206的运算速度是40MIPS，可用20MHz的晶振作为外部时钟源；在程序烧录时，通过跳线将DIV2和DIV1分别设置为高电平和低电平，此时CLKOUT1是外时钟源的2倍，为40MHz，可满足程序运行时的时钟条件。

2.2 中断的使用

中断的使用是系统设计中十分重要的问题。中断的软件设计，是中断程序正常运行的关键；而中断的硬件设计，有些问题也同样不容忽视。

在TMS320F206中，中断的使用是与三个寄存器相联系的，即中断标志寄存器（ifr）、中断屏蔽寄存器（imr）和中断控制寄存器（icr）。

16位的中断标志寄存器（ifr）标志位于数据存储空间内，地址是0006h。它含有所有可屏蔽中断的标志。当可屏蔽中断请求到达CPU时，ifr中相应的标志置为1，这表明该中断挂起，正在等待响应。读ifr可识别挂起的中断。写ifr可清除挂起的中断。为清除中断请求（也即将ifr标志清0），可向ifr中相应的位写入1，再将ifr当前的内容写回ifr，即可清除所有挂起的中断。

16位的中断屏蔽寄存器（imr）标志位于数据存储空间，地址是0004h。它用于屏蔽内部和外部的可屏蔽中断。因/NMI和/RS是不可屏蔽中断，的以它们都不包括在imr中，因而imr对这中断没有影响。读imr可以识别被屏蔽和没有被屏蔽的中断，写imr可以屏蔽和不屏蔽中断。为了不屏蔽某个中断，应将它对应的imr中的位写为1；为了屏蔽某个中断，应将它对应的imr中的位写为0。

16位的中断控制寄存器（icr）标志在I/O空间内，地址是FFFCh，含有中断/INT2和/INT3单独的标志位的屏蔽位。它控制HOLD/INT1的引脚功能，并单独控制/INT2和/INT3中断。

在TMS320F206的程序空间中，0000h～003fh对应中断向量空间，对于程序设计中没有到的向量空间，应填零，以防止意外情况发生。若TMS320F206响应了某个硬件中断，则会自动将其相应的中断标志位和中断允许位INTM置1（INTM为1，则禁止所有中断），但在中断服务程序结束后不会自动将二者清0。因此，在中断服务程序结束时，应将该中断的标志位和中断允许位INTM清0，以保证后读中断的正常运行。实际经验表明，若在某个中断的服务程序中没将该中实际经验表明，若在某个中断的服务程序中没将该中断的标志清0，则TMS320F206是无法连接正常响应该中断的，结果是程序运行发生混乱，出现许多意想不到的结果。

在TMS320F206中，/INT2和/INT3是两个较为特殊的可屏蔽硬件中断，它们共享：

（1）中断标志寄存器（ifr）中的一标志位；

（2）中断屏蔽寄存器（imr）中的同一屏蔽位；

（3）同一个中断服务程序（/INT2和/INT3都映射到程序存储器内的中断向量单元0004h）。

为单独使用/INT2和/INT3，icr提供了两屏蔽位（MINT2和MINT3）和两个标志位（FINT2和FINT3）。当/INT2和/INT3引脚上有中断请求时，由MINT2和MINT3确定是否设置标志位FINT2、FINT3和INT2/INT3。为屏蔽/INT2（防止标志FINT2和INT2/INT3置1），可将0写入MINT2；为屏蔽/INT3（防止标志FINT3和INT2/INT3置1），可将0写入MINT3.若想将/INT2和/INT3都屏蔽，则只需将imr中的INT2/INT3位置0，CPU接收不到中断请求，也就不会响应中断请求了。

当中断标志寄存器ifr中的INT2/INT3位置1时，说明有一个或两个中断挂起。为区别这两个中断，可在中断服务程序中测试icr中FINT2和FINT3，然后分配到适当程序。如果只希望响应其中的一个并执行中断服务程序，那么可在icr中将另一个屏蔽。CPU响应/INT2和/INT3中断时，其中断标志位不会自动清0，因此必须在中断服务程序中将icr和ifr中相应的中断标志位以及中断允许位INTM清0。

TMS320F206共有5个硬件中断。其中，用户不可屏蔽中断有：复位中断（/RS）、用户不可屏蔽中端（/NMI）；用户可屏蔽中断有：/INT1、/INT2、/INT3，用户可通过设置有关的软件寄存器，决定是否响应该中断。

在系统设计中，若用户没有用到某个可屏蔽硬件中断，一方面应通过设置中断屏蔽寄存器（imr）将来屏蔽，另一方面也应通过设置相应的中断引脚，将其关闭，以保证系统运行的稳定性和可靠性。

在通常情况下，用户都会用到复位中断（/RS），以完成程序的复位。在复位中断电路的设计中，应注意的问题是：

（1）在系统运行的初始阶段，应保证/RS为低电平的时间足够长，以使DSP能准确地响应复位中断，从而保证程序的正常运行。

（2）在程序运行过程中，应保证/RS有良好的稳定性，以防止由于外界干扰使/RS为低电平而使TMS320F206意外复位，产生意想不到后果。

NMI是另一个不可屏蔽的硬件中断，如果在设计中没用到该中断，务必将其对应的引脚/NMI拉高，以防止意外。经验表明，若不钭/NMI拉高，则通过JTAG将程序代码烧录进Flash Ram内时，会出现错误提示，使烧录无法完成。

2.3 Flash Ram的使用

TMS320F206有32K的片内Flash Ram，分为两个块：F0和F1，各占16K的程序存储空间，二者可以单独使用，也可以作为一个整体使用。但应注意使用片内Flash Ram的前提条件是：TMS320F206必须工作于微计算机方式，亦即MP/MC引脚必须置为低电平，从而使片内Flash Ram使能。

通过JTAG仿真测试口向Flash Ram烧录代码需经过以下三个环节；

①clear, 使所有位都置0；

②erase, 使所有位都置1；

③program, 将程序代码中0所对应的位清0。

需明确的是：以上3个环节在程序烧录时，缺一不可，具只能按①、②、③的顺序进行；否则在程序烧录过程中将出现错误提示，从而使程序烧录告以失败。在实际操作中，易犯的错误是不经过第1个环节而直接进行erase和program，结果是无法完成程序烧录。

在JTAG仿真测试口中，有一个Vcc引脚，它是连接目标板上TMS320F206的电源端。在程序烧录时，目标板上的电压不能太低，否则也会出现错误提示。笔者在一个5V供电的DSP系统中，曾以4.85V给TMS320F206供电，结果无法完成烧录。最后将电源电压改为4.95V到5.05V的范围内时，一切正常。

2.4 PCB制板与焊接问题

在有关DSP的PCB设计中，应遵循PCB制作与布线的通用规则。应特点注意 的方面有：务必将模拟电路和数字电路独立布线，最后单点连接电源和地；对所有的输入信号必须有明确的处理，不能悬浮或置之不理。

TMS320F206的封装形式只有TQFP（薄型四边有引线扁平封装）一种，其外形是一个边长约1.3厘米的正方形，每个边上有25个引脚，排列十分密集。在大规模的专用化生产中，有专用的设备完成诸如TQFP类贴片型芯片的焊接，但设备较为昂贵。因此，在实验室或小规模生产场合下通常都采用手工焊接的方式。

由于TMS320F206是贴片型芯片，所以在制作PCB板时，应采限喷锡工艺，同时应注意喷锡的厚度和引脚排列的尺寸。在手工焊接时，宜采用焊头较细的电烙铁，笔者根据实际经验总线的焊接过程如下：

①将TMS320F206的四边引脚刷一层松香水；

②将其四边引脚与PCB板上的引脚一一对齐；

③用烧热的电烙铁轻点四个角上的某个引脚以使芯片处于半固定；

④微调四边引脚位置，直到确定各个引脚已完全对剂；

⑤用烧热的电烙铁对准引脚处，一一点击，以使下面的焊锡熔化，完成焊接。应注意点击的时间不要过长，点击的方向尽量垂直，亦即平压下去，而不要沿着引脚排列的方向平拉。平拉有可能因用边过大而使引脚偏离来的位置，从而使相邻引脚粘在一块；