北京航空航天大学 牛晔 周浩敏
当今社会是信息化的社会，面对海量信息，使用计算机进行处理成为首选。众所周知，计算机只能处理数字信号，因而在一定程度上，可以说信息化的基础是数字化，而数字化的核心技术之一是数字信号处理。数字信号处理的任务越来越多地应用DSP来完成，DSP技术已经日益受到人们的关注并且得到了迅速发展。
作为全球第一的嵌入式处理器制造商，摩托罗拉公司于1997年推出了24位DSP56300系列的首枚芯片DSP56301，并不断升级，如图1所示。本文作者所在实验室有幸于2001年11月获赠Motorola DSP56311开发装置及其相关开发工具。下面，作者将结合近两年的使用和开发经验，简要介绍Motorola DSP56300系列和DSP56311，并结合FFT说明软件调试过程，最后给出一个使用DSP56311评估板开发的控制模型汽车运动的实例。
图1DSP56300系列
Motorola DSP56300系列
对于许多通信基础设施和网络设备的生产厂商来说，DSP56300系列是数字信号处理器的选择之一，该系列24位DSP提供了大容量的片内存储器、滤波器、协处理器以及优异的性能与体积、价位、功耗比。通过设计和生产的革新，Motorola公司正致力于扩展DSP56300系列以提供更新的特点、更优异的性能，诸如：更快的速度，更高的集成度，更低的电压和功耗等。生产一个DSP芯片要综合考虑以上各点，才能获得优异的性能（见图2）。
图2DSP应具有的性能
DSP56300系列的主要特征如下：
⑴兼容性－与DSP56000系列兼容，可向上移植；
⑵快速性－内核150MIPS（Millions Instruction Per Second）；
⑶片内存储器－DSP56311片内存储器容量高达384KB;
⑷低工作电压－1.8/2.5/3.3V内核电压；
⑸低功耗－1.8V 时0.7mA/MIPS，2.5V时 0.9mA/MIPS；
⑹易编程－24位的指令集，对用户透明的流水线，硬件堆栈扩展，完全嵌入式硬件循环和中断，自动返回中断，以及为高效软件Viterbi解码而设的VSL指令集；
⑺高速指令缓存－1K字高速指令缓存；
DSP56300系列的芯片主要有56301、56303、56307、56309和56311，下面将以本文作者使用的DSP56311为例进行介绍。
Motorola DSP56311
DSP56311是Motorola公司2000年推出的新产品，是24位数字信号处理器，现已投入量产。DSP56311是以DSP56300为内核，具有片内存储器和外围器件的单片结构，有196个引脚，为球形工艺插针阵列（PBGA，Process Ball Grid Array）的外封装形式。
DSP56311 的片内增强型滤波器协处理器（EFCOP，Enhanced Filter Coprocessor）与内核并行工作，明显提高了DSP的整体性能和处理效率，由相应的算法而实现通用滤波技术，很好地支持了在无线通信等技术中的应用。DSP56311还包括了摩托罗拉的边界扫描测试端口和片内仿真端口。DSP56311还具有128K字大容量片内存储器阵列以及EFCOP，非常适合于高端多通道远程通信的应用，比如无线通信、多路语音/数据/传真处理，视频会议以及通用数字信号处理技术。
DSP56311硬件结构
DSP56311主要由24位DSP56300内核、数据ALU、内部总线、存储器扩展区、外围扩展区等组成，其功能模块如图3所示。
图3DSP56311功能模块图
DSP56311开发工具
Motorola 公司为开发DSP56311的科技人员提供了强有力的软件开发工具：Suite56软件包，包括：硬件调试器（Debugger）、软件仿真器（Simulator），可以在Windows NT、Windows 95、 Hewlett-Packard HP-UX、 Sun OS4、Sun Solaris等多种平台上运行，同时针对C语言、汇编语言以及C语言和汇编语言的嵌套编程，分别有编译器（Compiler）、汇编器（Assembler）和链接器（linker），并提供了友好的人机界面，如图4所示。
图4Simulator的界面
开发过程
软件开发
在应用时，要生成一个DSP能够运行的程序需要如下步骤：
① 编写C语言或汇编语言或二者嵌套的源程序。Motorola DSP所使用的汇编程序在书写的时候采用Windows中的记事本即可，在保存的时候要注意保存成为以 ".asm"为后缀名的文件。不同语言的源程序有不同的编译过程。本例使用的是汇编语言的源程序，以下各步均是汇编语言的编译、链接、执行过程，C语言源程序的执行过程要比汇编语言简单很多。
②在dos环境下（对于Windows2000、Windows XP操作系统可以使用C提示符），将当前目录转到源程序所在的目录下，在提示符后面键入asm56300 -b 文件名.asm，回车，屏幕会显示正在编译的过程，检查有无语法和词法方面的错误。编译结束时，若有错误，使用asm56300 -l 文件名.asm命令可以显示错误的位置，相关的提示，修改直至通过编译，会显示没有错误，没有警告。此时，系统就会自动在源程序所在路径生成以 ".cln" 为后缀名的中间文件。
③然后，在提示符后面键入dsplnk 文件名.cln，回车，会显示正在链接的过程，链接结束时，会自动在源程序所在路径生成一个与源程序同名的以".cld"为后缀名的目标文件。此".cld"文件就可以用于在软件仿真器 Simulator 或硬件调试器debugger上进行进一步的调试。
④如果只是调试程序，用软件仿真器就可以了。这时，除了必备的PC机或工作站环境不再需要配备其他硬件。它能实现寄存器/存储器状态指示/变更等操作，可模拟DSP的全部指令。此外，它还具备一些调试功能，如：单步（Single step）调试、断点（Break-point）调试等。但是，软件模拟并不是在某一DSP器件上仿真，所以不能实时处理。
FFT是数字信号处理中最基本、应用最广的算法，下面以一常见波形的FFT为例说明软件开发过程：
Motorola DSP56311芯片提供了并行操作，能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法运算，而且提供实现FFT所必需的比特反转指令，而这些都是普通的PC机所不具备的，使得FFT在DSP56311芯片上运行的速度将更快。因此，为了充分发挥DSP56311芯片的优势，用汇编语言编程。要在 DSP56311处理器上实现FFT，可分为以下几步进行：
1.DSP56311汇编宏指令产生"波形"因子，sincos.asm；
2. DSP56311汇编宏指令完成位倒置重排输入序列x(n)， bitrev.asm；
3. 在DSP56311处理器上实现FFT蝶形运算，buter1.asm；
4.用DSP56311处理器计算FFT组的偏离和计算系数的偏离，FFT1.asm；
5.实现完整的N点FFT。
为了测试设计的FFT算法是否正确，进入DSP56300 Software Simulator(GUI)进行调试。
利用 “File” 菜单中“Set-Path” 命令将调用目标程序的路径选择为已经生成好的“.cld” 文件所在的目录。再用 “File”菜单中 “Load-Memory COFF” 命令调用生成的“.cld” 文件。
执行 "Reset" 命令后，利用 "Next" 命令一步一步的执行程序。针对每小段程序，可以编写一个测试程序，给出适当的输入值，然后调试、执行，观察结果，由此分析确定程序编写的正确与否，由于是进行单步调试，因此，若有错误，能够及时发现并改正。
在本FFT程序中，输入序列的实部元素存在X存储器单元$18～$1f中。每个程序调用sincos宏指令以产生正余弦查找表，其中余弦表的值存在X存储器单元$8～$b中，而正弦表值存在Y存储器单元$8～$b中。程序调用bitrev宏指令按倒位次序存贮，实部倒位元素存在X存储器单元$0～$7中，虚部倒位元素存在Y存储器$0～$7中。FFT.asm调用FFT1在倒位输入序列上完成8点FFT，其中正常次序输入序列的实部元素存在X:$0～$7 中，虚部元素存在Y: $0～$7中。
进行编译、链接产生fft.cld，在软件仿真器中装载（load） fft.cld，然后开始仿真执行，输入如下指令，将默认的十六进制表示改为易读的十进制小数形式：
radix f x:$18..$1f
radix f y: $18..$1f
radix f x:$0..$7
radix f y:$0..$7
在X和Y存储器中可以观察到如下结果：
输入序列实部元素：
X:$18 0.1000000 0.1000000 0.0500000 0.1000000
X:$1C 0.1000000 0.0500000 0.1000000 0.1000000
输入序列虚部元素：
Y:$18 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000
Y:$1C 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000
输出序列实部元素：
X:$0 0.7000000 0.0353554 0.0500001 -0.0353554
X:$4 0.0000000 -0.0353554 0.0500001 0.0353554
输出序列虚部元素:
Y:$0 0.0000000 0.0146446 0.0500001 -0.0853555
Y:$4 0.0000000 0.0853555 -0.0500001 -0.0146446
以上结果表明所编写的FFT程序是正确的。
软件和硬件开发相结合
下面以作者所做的基于DSP56311EVM（评估板）控制模型汽车运动的实例，加以详述。
本例的目的是使用DSP控制代替手动控制模型汽车的运动。模型汽车有一套完整的发送接收装置，在使用DSP控制时，通过继电器电路，连接到模型汽车的控制电路，由DSP输出高、低电平信号，控制继电器线圈的吸合，继而控制模型汽车的运动。但由于DSP输出的功率信号很弱（500mW左右），不足以驱动继电器线圈吸合，所以在实际应用中，加入一运算放大电路，如图5所示。
图5DSP控制模型汽车运动的硬件原理图
DSP56311有多达34个用户可编程控制的通用输入输出接口（GPIO），诸如HI08、SCI、ESSI0、ESSI1等，本例中使用HI08(主机接口Host Interface 08)作为输出控制信号的接口。
HI08端口若要作为输入输出模式使用，则要求它所对应的端口控制寄存器HPCR（Host Port Control Register）的第6位－启动主端口HEN（Host Enable）置零；但仅把第6位HEN置零还不够，第0位－启动输入输出位HGEN（Host 输入输出 Port Enable）还需置一，因为该位是启用输入输出模式的控制位，它若为零，则作为输入输出的信号是断接的，输出呈高阻态；只有置一，才能得到要求的输入/输出。
在将端口HI08设为输入输出模式后，还必须设置另外两个寄存器，分别是：主端口数据寄存器HDR（Host Port Data Register）和主端口数据方向寄存器HDDR（Host Port Data Direction Register）。主端口数据寄存器是将数据（0或1）写入其中，这些数据就是将来要输出的数据：0表示低电平，输出时就是0V；1表示高电平，输出时就是＋3.3V。主端口数据方向寄存器是用来控制该端口是作为输入使用，还是作为输出使用的：0表示输入；1表示输出。需要注意的是，主端口数据寄存器和主端口数据方向寄存器需要配合使用。对某一位的主端口数据寄存器（HDR）和主端口数据方向寄存器（HDDR）的配合使用，可简要表示如表1。
表1：HDR和HDDR的配合使用
数据写入寄存器有几种方法，常用的两种方法分别是：对某一位的操作bset和bclr，和数据整体的移入movep。
HI08在评估板上对应的是J12，并且硬件上的管脚1～8对应于主端口寄存器中的0～7位。
自制的电路板由相同的四个子模块组成，分别为控制向前、向后、向左、向右运动的子模块，还有两个接口，分别接DSP的控制信号和电源，采用protel设计、PCB制板。
在进行硬件调试时，编译、链接过程如前所述，然后打开硬件调试器（Hardware Debugger），注意这时，DSP应连接电源，并与PC机相连。在文件（file）菜单下，设置源程序所在路径（path），在装载（load）菜单下，装载编译、链接好的cld文件，执行 "Reset" 命令后，单击执行（execute）菜单里的运行（run），或者工具栏里的运行（go），若要单步执行，利用 "Step" 命令一步一步的执行程序，通过观测寄存器、存储器内容，能够及时发现并改正错误，实现硬件调试。
源程序
该实例的源程序用汇编语言编写，如下：
//控制模型汽车向前运动子程序
org p:0
include "ioequ.asm" ；调用寄存器地址定义
bclr #6,x:M_HPCR ；设置HI08端口控制寄存器
bset #0,x:M_HPCR
movep #1,x:M_HDR ；设置管脚1作为输出
movep #1,x:M_HDDR ；设置管脚1高电平
//控制模型汽车向左运动子程序
org p:$1000
bclr #6,x:M_HPCR
bset #0,x:M_HPCR
movep #4,x:M_HDR ；设置管脚3作为输出
movep #4,x:M_HDDR ；设置管脚3高电平
//8字型运动源程序
org p:$1000
include "ioequ.asm"
bclr #6,x:M_HPCR
bset #0,x:M_HPCR
movep #5,x:M_HDR
movep #5,x:M_HDDR
delay_1 ；延迟子程序
do #4000,delay_loop1
rep #4000
nop
delay_loop1
rts
bclr #6,x:M_HPCR
bset #0,x:M_HPCR
movep #9,x:M_HDR
movep #9,x:M_HDDR
delay_2
do #4000,delay_loop2
rep #4000
nop
delay_loop2
rts
实验结果显示，模型汽车可以按照我们设计的要求运动，要改变模型汽车的运动状态，只要修改相应的程序即可。
结束语
随着信息化潮流的推进，电子信息产业正在进行一场数字技术革命，数字技术方案硬件实现的关键技术之一就是数字信号处理器技术，DSP是专为数字信号处理算法、方案实时实现而设计的硬件处理器，已在通信、网络、多媒体、图象、语音、雷达、导航等众多领域得到广泛的应用，DSP已经日益受到业内人士的关注，必将得到极大的发展。
本文摘自《世界电子元器件》
