毕业设计171基于CPLD的DSP系统接口设计.docx
《毕业设计171基于CPLD的DSP系统接口设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计171基于CPLD的DSP系统接口设计.docx（52页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
毕业设计171基于CPLD的DSP系统接口设计
基于CPLD的DSP系统接口设计
中文摘要
本论文详细介绍了基于CPLD的DSP系统接口设计的方案与实现方法。
在本次设计过程中，主要是以模块思想来设计整个DSP系统。
在整个硬件系统设计中，以DSP芯片为核心，用CPLD来实现控制数据中转、与外围设备的通信。
本论文介绍了如何利用CPLD设计并实现TMS320C5416芯片与SRAM、FLASH、串并转换器等外围设备之间的接口，即利用了CPLD实现TMS320C5416系统接口的扩展。
关键词:
DSP;系统接口;CPLD
DesignDSPsystemconnectionwithCPLD
Abstract
ThepresentpaperindetailintroducedtheDSPsystemconnectionofbasedontheCPLDdesignsplanandtherealizationmethod.Inthisdesignprocess,mainlydesignstheentireDSPsystembythemoduleofthought.
Intheentirehardwaresystemdesignprocess,takestheDSPchipasthecore,realizesthecontroldatarelaybytheCPLDdecoding,andtheauxiliaryequipmentcorrespondence.ThisintroducedhowswitchingusingCPLDconnectiondesignsthebetweenTMS320C5416chipandSRAM,FLASH,stringandauxiliaryequipmentandsoon,namelyusedCPLDtodesigntheTMS320C5416systemconnectiontheexpansion.
Keywords:
DSP;Theinterfaceofsystem;CPLD
第一章：
绪论
§1.1课题的提出及意义
随着信息化技术的飞速发展，各种便携式电子产品和个人助理不断涌现，但是，许多消费电子的采集处理系统有着自身的不足，采集装置的复杂化，图像实时处理对处理器的依赖，图像处理系统的造价、速度及体积都成为限制图像技术应用的瓶颈。
比如采用PCI或ISA总线接口的图像采集卡都必须依赖计算机才可以实现图像的采集和处理，这样的配置使得系统在由于体积导致的额外成本及系统整体架构复杂度方面的开销大大增加。
如果采用单片机之类的微处理器来取代计算机，又难以实现数据实时处理的要求，从而导致系统性能指标的下降。
因此，寻求合适的处理器已成为目前图像采集处理系统的当务之急。
随着微电子技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，数字化技术己广泛深入地应用于现代国防、现代科技和国民经济的各个领域，在社会活动和个人生活中都随处可见其形影。
数字化技术的基础和核心是通用数字信号处理器（DSP）及其相应的程序软件。
这就使得DSP（DigitalSignalProcessor）及其应用程序在国防、科技、国民经济中占有特殊地位。
因此开发DSP及其应用程序是当今科学和社会发展所需。
数字信号处理内容日益复杂，同时，在很多情况下对系统的速度要求越来越高，数字信号处理技术已发展成为一门关键的技术。
一方面能利用DSP软件控制的灵活性，另一方面又能利用CPLD硬件上的高速、高集成度和可编程性。
所以极大地促进了数字信号处理技术的进一步的发展，同时数字信号处理领域得到了极大的拓展。
由于DSP芯片采用程序空间和数据空间分离的哈佛结构，对程序和数据并行操作，使其成倍地提高处理速度。
而与之配套的外围器件却没有像DSP那样的高速率，既利用小规模逻辑器件译码的方式不能满足DSP系统的需求。
特别是DSP与多个外部器件同时通信时，独立实现每个器件与DSP接口连接是很困难的，而DSP系统经常需要多个外部快速器件的配合，这些部件往往是专门的电路。
它们可以由可编程器件来实现。
因而可编程逻辑器件发展到现在，规模越来越大，功能越来越强，价格越来越低，相配套的EDA软件也越来越完善，使其在现代电子系统设计中所占的地位越来越重要。
CPLD以其开发周期短、成本低、灵活性强的特点，已成为EDA技术的一个重要组成部分。
这里我们选择DSP和CPLD作为研究课题，以期能尽快掌握数字信号处理和EDA这两种技术。
§1.2课题主要内容
本课题研究如何以DSP（数字信号处理器）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）为核心构建硬件系统，在整个系统的设计中，以DSP芯片为核心去控制CPLD以达到控制外围设备。
介绍了如何利用CPLD设计TMS320C5416芯片与外围设备之间的接口，既利用CPLD设计TMS320C5416系统接口的扩展。
这种设计方法使数字信号处理整个系统的速度得到很大的提高。
本文的研究主要集中在以下几个方面：
（1）在海尔广科提供的DSP实验箱环境下，利用图形输入和VHDL语言两种方式完成CPLD程序的编写、校验、仿真以及时序分析，使CPLD能够控制其外围电路进行正常工作。
（2）在有海尔广科实验箱的环境下，分析系统的硬件电路、绘制系统原理图，同时熟悉DSP的CCS开发环境，在内部进行一些算法调试工作。
（3）对电路板进行调试。
包括对CPLD电路的调试，对DSP电路的调试，对外围电路的调试（存储器、缓冲器等）。
另外，对电路调试过程中出现的问题和解决方法做必要的分析和探讨。
（4）设计各模块的程序。
§1.3论文的章节安排
本论文共分五章，各章的内容安排如下
第一章概括论述了基于DSP和CPLD的图像采集处理系统的提出和意义，并对所要研究的内容进行了总结。
第二章从全局出发探讨了基于DSP和CPLD的图像采集处理系统的总体设计方案，规划了系统组成，阐述了系统的基本原理，并根据系统的目标要求对核心处理器及外围器件的选型进行了分析。
第三章详细介绍了图像采集处理系统的硬件电路设计，包括TMS320C5416的硬件结分析，CPLD的接口设计，液晶显示的接口设计，数/模转换器的接口设计，电源电路设计，存储器的接口设计等。
第四章介绍了CCS软件，VHDL语言及各各模块的程序设计
第六章总结了课题中主要的研究成果，指出了系统今后的改进方向。
第二章：
系统总体设计
§2.1DSP的系统结构
DSP是DigitalSignalProcessing和DigitalSignalProcessor的通用简称。
前者是数字信号处理技术，指将模拟信号采样进行数字化处理后的信号进行分析、处理，侧重于理论、算法及实现，不仅涉及许多科学，还广泛应用于多种领域。
后者是数字信号处理器（DSP芯片）技术，是实现数字信号处理技术的硬件支持。
数字信号处理器是数字信号处理技术与数字信号处理应用之间的桥梁和纽带。
数字信号处理器技术能够的到广泛的普及和应用，在很大程度上得益于数字信号处理技术的发展使得其性能的提高和价格的下降。
2.1.1DSP的概况
自从1982年美国德洲仪器公司（TexasInstrument,即TI）推出第一代DSP芯片TMS320C10及其系列产品以来，经过二十几年的发展，DSP器件在其速度、性能以及开发软件得到了迅速发展。
生产DSP器件的公司数量增多并且规模不断壮大，DSP生产厂家除了TI公司外，还有美国模拟公司（AD）、朗讯（TA&T）、摩托罗拉（Motorola）、NEC等。
目前，通用DSP芯片的代表性产品包括TI公司的TMS320系列、AD公司ADSP21xx系列、Motorola公司的DSP56xx系列和DSP96xx系列、AT&T公司的DSP16/16A和DSP32/32C等单片器件，其中TI公司的产品所占有市场份额最大。
从1982年TI公司推出第一个定点DSP芯片—TMS320C10。
至今，TMS320系列的DSP产品已经经历了若干代：
TMS320C1x、TMS320C2x、TMS320C2xx、TMS320C5x、TMS320C54x、TMS320C62x等定点DSP。
同一代TMS320系列DSP产品的CPU结构是相同的，但其片内存储器及外设电路的配置不一定相同。
由于片内集成了存储器和外围电路，使TMS320系列器件的系统成本降低，并且节省电路板的空间。
TI的三大主力DSP产品为C2000系列主要用于数字控制系统；C5000（C54x、C55x）系列主要用于低功耗、便携的无线通信终端产品；C6000系列主要用于高性能复杂的通信系统。
C5000系列中的TMS320C54x系列DSP芯片被广泛应用于通信和个人消费电子领域。
本次设计是利用了TI公司的TMS320C5402芯片来设计系统。
★2.1.2CPLD的概况
可编程逻辑器件（PLD,ProgrammableLogicDevices）是20世纪70年代发展起来的一种新的集成器件。
他是ASIC的一个重要分支，是厂家作为一种通用性器件生产出的半定制电路，用户可以通过对器件编程实现所需要的逻辑功能。
它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性，而且给数字系统设计方式带来了革命性的变化
20世纪70年代出现的可编程逻辑阵列（PLD）是PLD的一种，它在结构上由可编程的与门阵列和可编程的或门阵列构成，阵列规模比较小，编程比较繁琐。
第一个得到普遍应用的PLD器件是后来出现的由可编程的与门阵列和固定的或门阵列组成，采用熔丝编程方式的可编程阵列逻辑（PAL），它设计比较灵活，器件速度快。
20世纪80年代初期，美国Lattice公司发明了通用阵列逻辑（GAL），采用输出逻辑宏单元（OLMC）的结构和E2PROM工艺，具有可编程、可擦除和可长期保持数据的优点，使用灵活，得到更广泛的应用。
PAL和GAL都属于简单的PLD，设计灵活，对开发软件要求低，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。
随着技术的发展，简单PLD在集成度和性能方面的局限性也暴露出来，其寄存器、I/O引脚、时钟资源限制，没有内部互连，因此包括EPLD、CPLD、FPGA在内的复杂PLD迅速发展起来，并且高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活、适应范围更广泛的方向发展。
CPLD是在PAL和GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。
与以往的PAL和GAL等相比较，CPLD的规模比较大，可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。
这样的CPLD实际上就是一个子系统部件。
这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。
CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，除了具有ASIC的特点之外，还具有以下几个优点：
1、随着超大规模集成电路VLSI（VeryLargeScaleIc）工艺的不断提高，单一芯片内部可容纳上百万个晶体管。
CPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，所能实现的功能越来越强，同时还可以实现系统集成。
2、CPLD芯片在出厂之前100%都做过测试，不需要设计人员承担投片风险和费用。
设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。
所以，CPLD的资金投入少，节省了许多潜在的花费。
3、用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下，用不同软件就可实现不同的功能；因此，CPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。
CPLD软件包中有各种输入工具、仿真工具、版图设计工具及编程等全线产品，使电路设计人员在很短的时间内就可以完成电路的输入、编译、优化、仿真，甚至最后芯片的制作。
当电路有少量改动时，更能显示出CPLD的优势。
电路设计人员使用CPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC（集成电路）深层次的知识。
4速度可预测良好
同时由于可编程器件EDA技术迅猛发展，EDA技术在不同的时期有不同的内容，其含义已经不止局限在当初的电路版图的设计自动化概念上，而今的EDA技术已发展成为一台计算机、一套EDA软件和一片或几片大规模可编程芯片（CPLD/FPGA）就能完成电子系统的设计。
基于EDA技术的发展，CPLD/FPGA产品采用先进的JTAG-ISP和在系统配制编程，这种编程方式可轻易地实现红外线编程、超声编程或无线编程，或通过电话线远程编程，编程方式简便、先进。
这些功能在工控、智能仪表、通信和军事上有特别用途。
CPLD/FPGA是通过符合国际标准的硬件描述语言（VHDL或Verilog-HDL）来进行电子系统设计和产品开发。
因而采用CPLD在实现小型化、集成化和高可靠性的同时，还减小了风险，降低了成本，缩短了周期。
结合本次设计的DSP系统接口的特点。
本次利用CPLD来设计DSP系统接口比较合适。
CPLD在这里起到辅助作用，即由DSP芯片来控制CPLD以达到控制外围设备的输入输出。
★2.1.3基于CPLD的DSP系统结构
本系统主要由图像采集和图像处理三大部分组成。
由CPLD进行逻辑控制，DSP进行处理，外围电路对其功能进行实现。
因此DSP系统可以由一个DSP和CPLD及外围设备组成，也可能由多个DSP组成，完全取决于系统以及DSP处理的要求。
本次设计的DSP系统是由一个DSP及外围设备组成，主要由如图1所示组成。
图1基于CPLD的DSP系统结构
DSP芯片系统的主要任务是将输入的信号按照一定算法进行分析、处理，然后将输出结果以数据流的形式输出。
整个系统的协调运行主要依靠正确的地址分配、逻辑控制等电路设计，可以用FPGA等可编程逻辑器件来完成，除此CPLD还可以在复杂的DSP系统中扮演接口、协处理角色。
由于DSP芯片及其中的CPLD等都具有可编程性、保密性等优势，因此整个系统灵活性高，适应性强、保密性能好。
基于CPLD的DSP系统结构包括1仿真器（JTAG）、2数/模转换器（ADCDAC）、3液晶和数码显示器（LCD，LED）、4USB接口、5电源电路（POWER）、6语音存储器（NANT-FLASH）、7异步串行电路（UART）、8音频解码电路（CODEC）、9键盘（KEL）、10电动机（MOTOR）、11DSP芯片（TMS320C5416）、12CPLD芯片组。
§2.2DSP的系统器件选型
本系统设计的目的在于开发体积小、成本低的脱机图像采集处理系统。
所以在满足系统要求的前提下，在器件选择方面，应尽可能地减少系统资源的冗余，提高系统的集成度。
★2.2.1处理器的选择
采用数字信号处理的方式必须选择合适的微处理器（Micr叩rocessor），目前的微处理器分为通用处理器、单片机和DSP三大类。
DSP与单片机和传统的通用微处理器相比具有很大的优越性。
与目前普遍采用的单片机相比，DSP具有较高的集成度并具有更快的运行速度，DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8一10倍，在乘法处理上，DSP的优势更为明显，完成一次乘累加运算快16一30倍。
这一性能决定了DSP的应用领域主要集中在较复杂的算法处理中，如：
数字图像处理、数字语音编码等领域，而单片机则主要用于工业控制等对处理速度和处理性能要求较低的环境
DSP与通用处理器相比具有很多优点：
大多数DSP采用了哈佛结构，将程序存储空间和数据存储空间划分开，可同时为处理器核心提供数据与指令，因此，DSP能够在单工作周期内完成多个存储器访问指令，而通用处理器则不行；DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法，并增加了累加寄存器来处理多个乘积的和，所以DSP在密集乘法计算中具有先天优势；DSP实现了零开销。
DSP系统以数字信号处理为基础，具有数字信号处理的全部优点：
①具有实时性，DSP速度远高于一般CPU，用DSP组成的数字信号处理系统可以实时工作：
②具有灵活性，通过DSP的软件编程实现处理，故修改、升级、置换都很灵活，硬件平台一般不需改动；③精度高，在模拟电路中元件精度很难达到10一3以上，而数字系统可做到10.5的精度：
④可靠性高，因为是数字器件，又是软件工作方式，故降低了老化效应和对噪声的敏感度；⑤成本降低，因为DSP是可编程的、硬件简化、芯片数量少、制作重复性好、开发周期短、具有完整的开发和调试工具。
近年来，各种集成化的DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多、越来越好，价格却大幅度下滑，从而使得DSP技术更容易广泛使用，越来越多的用户开始选用DSP器件来提高产品性能。
本系统通过微处理器对采集的图像数据进行比较分析、二值化、滤波等处理，要求速度快、体积小、易于实现，又由于图像数据的运算量比较大，使用传统的通用处理器或单片机无法满足要求，而DSP芯片正好能满足高速运算处理的需要，它的运算速度直接决定了系统的处理能力，因此选择了DSP作为硬件处理电路的核心器件。
由于各DSP厂家的开发方式、开发系统价格不尽相同，综合考虑产品的易于升级和技术支持条件、开发软件的完整性以及价格等方面的因素，我们选择了双公司的DSP芯片。
TMs320系列DSP按照所支持的数据类型不同可分为定点和浮点两类，在图像采集处理系统中，我们所进行的算法操作是相对于像素而言的，一般不涉及到浮点运算，因此选用定点算法，使用定点DSP·TI公司的TMS320C54XX是为实现低功耗、高性能而设计的定点DSP芯片。
根据本系统的低功耗、低成本、微型化的性能要求，考虑到运算速度、存储空间大小、性能价格比、硬件资源、开发工具、功耗以及芯片订货的难易程度等多个方面，我们选定了TMS320VC5416（以下简写为VC5416）作为核心处理器。
VC5416是Tl公司推出的新一代定点DSP芯片，它除了继承老产品的优点以外，还增加了更多的硬件资源，时钟频率高达100MHz，性价比较高，从而成为当前静态图像处理的主流产品。
下面列出VC5416的主要特点
（1）存储空间可达192Kx16bit，其中64K字的程序空间、64K字的数据空间、64K字的FO空间。
此外，还具有丰富的片上外设
（2）流水线结构：
一条DSP指令的执行被分为6个不同的阶段，这6个不同的阶段可以并行执行，即一个指令周期内可以有6条指令处于执行的不同阶段。
（3）多处理单元：
VC54OZ的内部集成多个处理单元，如算术逻辑单元（ALU）、辅助寄存器运算单元（ARAU）、累加器（ACC）以及硬件乘法器（MUL）单元等，它们可以在一个指令周期同时进行运算。
（4）外设：
2个自动缓冲串行BSP（Auto一BufferedSerialPort）接口和1个8位的与外部处理器通信的HPI（HostPortInterface）接口，1个IEEE1149.1标准JTAG接口（仿真接口）;2个18位计数器和1个可编程状态产生器。
（5）特殊指令：
DSP指令集中，设有专门的指令，如累加乘指令MACD等。
（6）功耗低.
★2.2.2CPLD的选型
CPLD是复杂可编程逻辑器件，它是在GAL、PAL的基础上发展起来的，规模大，比较适合时序、逻辑电路应用场合，在信号处理领域的应用也非常活跃。
大容量和多1/0引脚的特点更加扩大了其使用范围，它可以代替几十甚至上百块通用IC芯片，具有编程灵活和实现方案容易改动等特点。
即使电路板设计时有错误，也不必在板上飞线或重新制板，只要在CPLD软件设计中进行修改就可以改正，这样有利于使用者将更大规模的电路实现在一块芯片中，给系统集成带来了方便。
为了增加系统的集成度、可扩展性以使其具有更高的性能，从而达到小型化的目的，我们增加了一片CPLD来完成整个系统的逻辑控制，如控制数据采集、存储器片选、地址译码、数据锁存等功能。
考虑到系统中需要CPLD控制的输入输出管脚的数里、内部逻辑资源的使用情况以及Altera公司CPLD芯片的高性能、高集成度、价格合理以及开发工具方便的特点，本系统选用了MX300O系列中的EPM3256ATC144一10。
它是基于MAX3000结构体系的高性能EEPROM结构的CPLD芯片，完全符合IEEE1149.1JTAG边界扫描标准，具有3.3VIsP的功能，可通过JTAG接口实现在线编程。
引脚可以设置为开漏输出，支持多种电压接口。
内部有256个宏单元，16个逻辑阵列块和5000个门电路。
每个宏单元有一个可编程的“与”阵和固定的“或”阵，以及一个具有独立可编程时钟、时钟使能、清除和置位功能的可配置触发器。
为了能构成复杂的逻辑函数，每个宏单元可使用共享扩展乘积项和高速并联扩展乘积项，向每个宏单元提供多达32个乘积项，这一特点使它更适合采用EDA工具进行自动逻辑综合。
Altera的第三代开发工具MAX+Plusn系统支持MAX3000系列的编程开发和下载。
该系统是个单一的集成软件包，界面友好、集成度高并且有多种设计输入方式：
通过图形编辑器创建图形设计文件（,gdf）；通过文本编辑器，有三种编程语言可供选择用于创建文本设计文件；还可以通过波形编辑器，创建波形设计文件（.wdf）等。
能够执行编译和逻辑综合、仿真、定时分析以及器件编程等工作，具有强大的逻辑设计功能。
CPLD有完善的开发平台支持，开发难度较小，开发出的硬件结构紧凑、性能可靠、保密性好且利于修改，这也是硬件接口开发的趋势。
VHDL的英文全名是Very－High－SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，于1982年提出，1987年底，被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。
VHDL作为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到众多EDA公司的支持，在电子设计领域，已成为事实上通用的硬件描述语言。
应用VHDL进行系统设计的优点有：
VHDL具有强大的行为描述能力：
具有丰富的仿真语句和库函数；对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，就能进行独立的设计。
VHDL的特点决定了其成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。
本方案在集成开发环境MAX+Plusn下采用vHDL语言编写和调试程序，最后通过JTAG接口将程序下载到CPLD器件中。
§2.3DSP的系统流程图
本次设计的DSP系统采用模块设计思想，主要分为硬件、软件两大部分。
系统开发流程如图3.2所示。
以下简要叙述各阶段内容和设计原则，系统设计思路主要是将需要实现的功能描述清楚、准确，把设计任务书转化为量化的具体技术指标。
（1）系统的主时钟频率由DSP芯片频率来决定，本系统要求主时钟频率为160MHz。
（2）由数据及程序的长短决定片内RAM的容量，是否需要扩展外围RAM及片外RAM的容量。
（3）由系统所要求的精度决定是16位还是32位，是定点还是浮点运算。
（4）根据系统是计算用还是控制用来决定对输入输出的要求。
（5）根据需求引出外围接口，如数据地址总线接口、模拟I/O接口、HPI接口等。
第三章：
系统硬件接口设计与实现
§3.1微处理器核心电路设计
★3.1.1微处理器的选择
设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。
只有选定了
DSP芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。
一般来说，微处
理芯片选择时应考虑以下几方面因素：
升级会员 