高性能浮点DSP芯片及其最小系统的设计

 

　　TMS320C6713是TI公司在TMS320C6711的基础上推出的C6000系列新一代浮点DSP芯片，它是目前为止C6000系列DSP芯片中性能的一种。TMS320C6713可在255MHz的时钟频率下实现1800MIPS/1350MFLOPS的定点和浮点运算，因而可极大地满足通信、雷达、数字电视等高科技领域对信号处理实时性的要求。同时其主机口（HPI）可灵活地和PCI总线控制器相连接。可通过PCI总线控制器直接访问TMS320C6713的存储空间和外围设备，能实现PC机与TMS320C6713之间的高速数据传输。

　　TMS320C6713是美国德州仪器公司（TI）继TMS320C62X系列定点DSP芯片后开发的一种32 bit新型浮点DSP芯片，该芯片的内部结构在TMS320C62X基础上改进，具有如下革命性的特点：

　　（1）处理速度快，工作主频可达到300 MHz,峰值运算能力为2 400 MIPS/1 800 MFLOPS;

　　（2）硬件支持IEEE格式的32 bit单与64 bit双浮点操作；

　　（3）集成了32×32 bit的乘法器，其结果可为32 bit或64 bit;

　　（4）TMS320C62X指令无需任何改变即可在TMS320C6713上运行。

　　1结构特点

　　本模块的DSP芯片选用TI公司的浮点数字信号处理器TMS320C6713.TMS320C6713内有8个并行的处理单元，分为相同的两组。其体系结构采用超长指令字（VeloeiTM Advanced Very Long Instruction Word,VLIW）结构，单指令长32 b,8个指令组成一个指令包，总共字长为8×32=256 b.芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将每个256 b的指令包同时分配到8个处理单元，并由8个单元同时运行。芯片的时钟频率达225 MHz,其处理能力可以达到1 800 MIPS.TMS320C6713的以上特点，保证了后端信号处理的实时性，能满足本系统的性能要求。

　　TMS320C6713是一种支持浮点运算的DSP芯片，是德州仪器公司设计的用于高端处理的长指令、多功能的DSP芯片。其内部结构功能模块如图1所示，它主要包括中央处理器CPU、片内存储器和片内集成外设3部分。

 

 

　　1.1 CPU内核的功能单元

　　TMS320C6713的CPU是采用VelociTI体系结构的DSP芯片。VelociTI是高性能、先进的VLIW结构，多个功能单元并行工作，共享公用的大型寄存器组，同时执行的各种操作是由VLIW的长指令分配模块进行同步协调的，这种结构使其成为多通道、多功能以及高性能应用的器件。CPU内核作为DSP芯片的运算和控制中心，包括以下几部分：（1）程序取指令单元、指令分配单元、指令译码单元；（2）2个数据通道A、B,每个通道中包括一个由16个32 bit寄存器组成的寄存器组和4个功能单元：①算术和逻辑运算单元（。L）②分支、位操作和算术运算单元（。S）③乘法操作单元（。M）④装载/存储和算术单元（。D）；（3）控制寄存器；（4）控制逻辑；⑸测试、在线仿真接口和中断控制。

　　1.2 片内存储器

　　TMS320C6713的芯片内部存储器采用两级高速缓存结构，如图1所示，包括：4 KB的级高速程序缓存（L1P）、4 KB级高速数据缓存（L1D）、和第二级总共256 KB片内存储容量（64 KB的L2统一缓存/映射RAM和192 KB的附加L2 RAM）。

　　无论是TMS320C6713还是TMS320C6713B都应用了双层的Cache结构，对外具有强有力的驱动能力。层为4  KB的程序缓冲区和可双向寻址的数据缓冲区，第二层有256  KB的程序和数据缓冲区，其中64  KB为存储区，剩下为SRAM区，这种独特的二级缓存结构大大提高了CPU的工作效率。

　　1.3 片内集成外设

　　TMS320C6713的芯片内部集成了许多外围设备接口，可以方便地连接片外存储器、主机、串行设备等外设。所有外部接口都是由一些信号线和控制寄存器组成，开发人员对接口设计的主要工作就是完成接口连线和写控制寄存器两项工作，使得扩展外设变得更加容易。

　　C6713片内集成的一个32 bit的外部存储器接口EMIF（External Memory Interface），可以外扩8 bit、16 bit、32 bit并行存储器。内部的16个独立的扩展直接存储器访问通道EDMA（Enhanced Direct-Memory-Access）大大提高了存储器访问的效率，EDMA面向实时信号处理，可以在CPU后台高效完成存储空间中数据的转移，具有高效的传输速率，C621x和671x的数据传输率可高达1 200 MB/s.2个McASP（multichannel audio serial port）；2个McBSP（multichannel buffered serial port），可以模拟几乎所有形式的串行接口；2个I2C总线接口；2个32 bit的通用定时器；16通道通用I/O口GPIO（general-purpose input/output）；一个16 bit的主机接口HPI（Host-Port Interface）；还包括程序和数据存储器控制器、中断控制器、定时器、时钟发生器、PLL（锁相环控制发生器）及掉电逻辑等功能单元。

　　2 TMS320C6713 DSP硬件系统设计

　　硬件系统：由电源，主板和CPU组成。在这个系统中，没有任何信号线的连接，只有电源到主板的电源连接。在判断的过程中通过声音来判断这一组成部分是否可正常工作；软件系统：由电源，主板，CPU.内存，显示卡/显示器。键盘和硬盘组成。这个系统主要用来判断系统是否可完成正常的启动与运行

　　TMS320C6713（主频225 MHz）是C67X系列中一款典型且应用广泛的DSP芯片，其硬件系统所要完成的主要功能包括：进行基本信号采集、数据运算及数据、程序存储；音频信号的采集、处理及输入、输出；与主机间的通信及数据、程序传输，同时配备了外部扩展接口，方便对系统的功能扩展以实现更广泛的嵌入式应用。将以上主要功能分成如图2所示的功能模块：音频处理模块、数据处理模块、电源转换供电模块。

 

 

　　2.1音频处理模块

　　在音频处理模块中，本系统采用TI公司生产的音频处理芯片TLV320AIC34,它是一款高性能的立体声音频编解码器，并同时集成了高度的模拟功能，再配以相关的辅助电路完成音频信号的初始处理，它具有麦克风输入、音频线输入2种输入方式及音频线输出、扬声器输出2种输出方式。音频处理芯片TLV320AIC34采集的音频信号经DSP芯片或其自身进行一定的调制处理后传到计算机主机或直接由TLV320AIC34将DSP芯片处理过的信号传送出去。

　　2.2 数据处理模块

　　在数据处理模块中，系统中的DSP芯片、程序存储器和数据存储器3块芯片是整个模块电路的。该模块的功能是使用DSP芯片的EMIF（外部存储器接口），完成与外部数据存储器（SDRAM）数据传输和程序存储器（FLASHROM）程序读写任务，实现数据的实时计算处理及存储；具有硬件中断和复位功能；并通过JTAG接口电路与硬件仿真器相连接后再接到计算机主机，实现与计算机的数据通信；使用McBSP（多路缓冲串行口）完成串行数据接收和发送工作，实现对音频处理模块的控制和数据交换功能。同时还对DSP芯片未使用的引脚进行处理，将全部引出为日后功能的扩展提供基础。

　　2.3 电源供电模块

　　在电源供电模块中，为实现硬件之间的良好匹配，本系统采用TI公司的2块电源芯片TPS54350.它的输入电压为5 V,分别为音频处理模块和数据处理模块提供3.3 V电源电压并为数据处理模块提供1.26 V芯片内核电压，同时具备掉电复位和电源电压无法达到额定值时的自动复位功能。

　　3 TMS320C6713的硬件系统PCB设计注意事项

　　PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为"印刷"电路板。在印制电路板出现之前，电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接实现的。而现在，电路面板只是作为有效的实验工具而存在；印刷电路板在电子工业中已经占据了统治的地位。

　　3.1音频处理模块PCB设计注意事项

　　音频处理模块主要完成音频信号的采集处理，TLV320AIC34音频处理芯片将采集到的信号作初步处理，也可以将信号传送给DSP芯片由其作进一步的处理。元件布局走线时应注意：

　　（1）4个模拟信号的插头布置在电路板的边缘，对于每个通道传送过程中的电阻、电容要适当置在对应的信号传输通道上。处理之后的信号在拉入音频芯片相应引脚时，走线距离不能太远，以免受到不必要的干扰。

　　（2）采用两层电路板走线，具体为在表层走模拟和数字信号，底层主要是用来进行大面积铺地，起信号屏蔽作用。将模拟信号与数字信号完全分开，分成两个不同的区域，避免相互干扰。

　　3.2 数据处理模块PCB设计注意事项

　　作为以DSP芯片为的高频数据处理模块，在进行PCB设计时更要谨慎，需要注意以下几点：

　　（1）考虑到信号走线的顺利通畅，尽可能不受干扰，故在设计电路板层的布局时要分层，为此设置2个电源层DSPIO_3.3 V、DSP_CVDD和一个接地层GND,另外设置3个信号层并保证其都尽可能靠近接地层，从而使信号的传输质量效果。

　　（2）在元件布局时，应尽量保证DSP芯片和存储器之间的距离尽可能近些，这样可以减少制板费并避免走线过长导致信号线受到寄生电感的干扰而使信号的质量下降甚至完全失效。所以采用的排阻也要尽可能接近存储器，以保证信号可靠稳定。

　　（3）对于JTAG模块，它包含标准的14脚插座以及未使用的EMU2-EMU5引脚，仿真及边界扫描工作模式的设定，将这3个部分全部以标准插座的形式引出，并尽可能放置在电路板的一侧靠近边缘的地方。

　　（4）在走线过程中，尽可能保持信号线的长度近似相等，这样才会尽可能地保证信号传送的同步性，避免出现延时现象。走线应尽可能向一个方向，尽量避免出现经常性的折返，以防止传输信号的质量受到影响。其次是未用引脚的引出应依据其功能将其分为2个标准的2×20的插座。

　　3.3 电源转换供电模块PCB设计注意事项

　　电源转换供电模块主要提供DSPIO_3.3 V和DSP_CVDD 2种电压，设计时采用2层电路板来实现电源转换供电模块的功能。具体是表层为电源、信号层走线，所有的信号布线尽可能安排在表层，在底层走少量信号线。底层主要是作为接地层，并做大面积铺地处理，同时表层要求接地的部分就近大量打孔，将接地信号直接就近连接底层作接地处理。依据其工作原理，将5 V电压分为两路通道进行转换，走线时注意电源线和通道的走线宽度以达到承受电流要求，同时也注意电磁噪声信号的干扰。

　　TMS320C6713是美国德州仪器公司开发的新型浮点DSP芯片，具有非常高的运行速度、集成度和良好的扩展性。由于其出色的运算能力、高效的指令集、智能外设、大容量的片内存储器和大范围的寻址能力，适合于对运算能力和存储量有高要求的应用场合。特别是在音频产品、混频器、音频合成器、仪器/放大器建模、音频会议和广播、生物辨识、医疗、工业、数字成像、语音识别和分组等领域有着广泛的应用。