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

1. 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
2. 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
3. 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；
4. 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；
5. 快速的中断处理和硬件I/O支持；
6. 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
7. 可以并行执行多个操作；
8. 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

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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；

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1.3 DSP性能参数

1. 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。

2. 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；

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1.4 DSP选型其他因素

1. 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；
2. 片内存储
   DSP片内存储器可用来放程序和数据；
3. 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）；

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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

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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；

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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。

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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。

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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；

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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。

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3.2 C6748工程搭建

工程环境

CCS8.3.0

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

1. 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。

2. 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。