1.TMS320C55x DSP的基本结构

     1.1C55x的CPU体系

     C55x有1条32位的程序数据总线（PB），5条16位数据总线（BB、CB、DB、EB、FB）和1条24位的程序地址总线及5条23位的数据地址总线，这些总线分别与CPU相连。总线通过存储器接口单元（M）与外部程序总线和数据总线相连，实现CPU对外部存储器的访问。这种并行的多总线结构，使CPU能在一个CPU周期内完成1次32位程序代码读、3次16位数据读和两次16位数据写。C55x根据功能的不同将CPU分为4个单元，即指令缓冲单元（I）、程序流程单元（P）、地址流程单元（A）和数据计算单元（D）。

读程序地址总线（PAB）上传送24位的程序代码地址，由读程序数据总线（PB）将32位的程序代码送入指令缓冲单元I进行译码。

3条读数据地址总线（BAB、CAB、DAB）与3条读数据数据总线（BB、CB、DB）配合使用，即BAB对应BB、CAB对应CB和DAB对应DB。地址总线指定数据空间或I/O空间地址，通过数据总线将16位数据传送到CPU的各个功能单元。其中，BB只与D单元相连，用于实现从存储器到D单元乘法累加器（MAC）的数据传送。特殊的指令也可以同时使用BB、DB和CB来读取三个操作数。 2条写数据地址总线（EAB、FAB）与两条写数据数据总线（EB、FB）配合使用，即EAB对应EB、FAB对应FB。地址总线指定数据空间或I/O空间地址，通过数据总线，将数据从CPU的功能单元传送到数据空间或I/O空间。所有数据空间地址由A单元产生。EB和FB从P单元、A单元和D单元接收数据，对于同时向存储器写两个16位数据的指令要使用EB和FB，而对于完成单写操作的指令只使用EB。 1.2 指令缓冲单元（I unit）

      C55x的指令缓冲单元由指令缓冲队列IBQ（Instruction Buffer Queue）和指令译码器组成。在每个CPU周期内，I单元将从读程序数据总线接收的4B程序代码放入指令缓冲队列，指令译码器从队列中取6B程序代码，根据指令的长度可对8位、16位、24位、32位和48位的变长指令进行译码，然后把译码数据送入P单元、A单元和D单元去执行。IBQ最大可以存放64b的待译码指令。

1.3 程序流单元（P unit）

       程序流程单元由程序地址产生电路和寄存器组构成。程序流程单元产生所有程序空间的地址，并控制指令的读取顺序。

      程序地址产生逻辑电路的任务是产生读取程序空间的24位地址。一般情况下，它产生的是连续地址，如果指令要求读取非连续地址的程序代码时，程序地址产生逻辑电路能够接收来自I单元的立即数和来自D单元的寄存器值，并将产生的地址传送到PAB。

       在P单元中使用的寄存器分为5种类型。       （1）程序流寄存器：包括程序计数器（PC）、返回地址寄存器（RETA）和控制流程关系寄存器（CFCT）。       （2）块重复寄存器：包括块重复寄存器0和1（BRC0，BRC1）、BRC1的保存寄存器（BRS1）、块重复起始地址寄存器0和1（RSA0，RSA1）以及块重复结束地址寄存器0和1（REA0，REA1）。       （3）单重复寄存器：包括单重复计数器（RPTC）和计算单重复寄存器（CSR）。       （4）中断寄存器：包括中断标志寄存器0和1（IFR0，IFR1）、中断使能寄存器0和1（IER0，IER1）以及调试中断使能寄存器0和1（DBIER0，DBIER1）；       （5）状态寄存器：包括状态寄存器0，1，2和3（ST0-55，ST1-55，ST2-55和ST3-55）。 1.4  地址流单元（A unit） 地址流程单元包括数据地址产生电路（DAGEN）、算术逻辑电路(ALU)和寄存器组构成。         数据地址产生电路（DAGEN）能够接收来自I单元的立即数和来自A单元的寄存器产生读取数据空间的地址。对于使用间接寻址模式的指令，由P单元向DAGEN说明采用的寻址模式。         A单元包括一个16位的算术逻辑电路（ALU），它既可以接收来自I单元的立即数，也可以与存储器、I/O空间、A单元寄存器、D单元寄存器和P单元寄存器进行双向通信。ALU可以完成算术运算、逻辑运算、位操作、移位、测试等操作。         A单元包括的寄存器有以下几种类型。        （1）数据页寄存器：包括数据页寄存器（DPH，DP）和接口数据页寄存器（PDP）；        （2）指针：包括系数数据指针寄存器（CDPH，CDP）、栈指针寄存器（SPH，SP，SSP）和8个辅助寄存器（XAR0～XAR7）；        （3）循环缓冲寄存器：包括循环缓冲大小寄存器（BK03，BK47，BKC）、循环缓冲起始地址寄存器（BSA01，BSA23，BSA45，BSA67，BSAC）；        （4）临时寄存器：包括临时寄存器（T0～T3）。 1.5  数据计算单元（D）

         数据计算单元由移位器、算术逻辑电路、乘法累加器和寄存器组构成。D单元包含了CPU的主要运算部件。

D单元移位器能够接收来自I单元的立即数，能够与存储器、I/O空间、A单元寄存器、D单元寄存器和P单元寄存器进行双向通信，此外，还可以向D单元的ALU和A单元的ALU提供移位后的数据。移位器可完成以下操作：

       （1）对40位的累加器可完成向左最多31位和向右最多32位的移位操作，移位数可从临时寄存器（T0～T3）读取或由指令中的常数提供；

       （2）对于16位寄存器、存储器或I/O空间数据可完成左移31位或右移32位的移位操作；

       （3）对于16位立即数可完成向左最多15位的移位操作。

           D单元的40位算术逻辑电路可完成以下操作：        （1）完成加、减、比较、布尔逻辑运算和绝对值运算等操作；        （2）能够在执行一个双16位算术指令时同时完成两个算术操作；        （3）能够对D单元的寄存器进行设置、清除等位操作。 2  指令流水线         C55x CPU采用指令流水线工作方式，C55x的指令流水线包括两个阶段：         第一阶段是取流水线，即从内存中取出32位的指令包，放入指令缓冲队（IBQ）中，然后为流水线的第二阶段提供48位的指令包。

         

       其中PF1表示向存储器提供的程序地址，PF2表示等待存储器的响应，F表示从存储器取一个指令包并放入指令缓冲队列中，PD表示对指令缓冲队列中的指令预解码（确定指令的起始和结束位置；确定并行指令）。

       第二阶段是指执行流水线，这部分的功能是对指令进行解码，完成数据的存取和计算。

       

        流水线的第二阶段（执行流水线）

        为了解决流水冲突的问题，增加额外周期做流水保护处理。

3 TMS320C55x 存储空间结构    

     C55x DSP的存储空间包括统一的数据/程序空间和I/O空间。数据空间用于访问存储器和内存映射寄存器，程序空间用于CPU从存储器中读取指令，而I/O空间用于CPU与外设之间的双向通信。

3.1 存储器映射

       C55x的寻址空间为16MB，当CPU从程序空间读取程序代码时，使用24位地址，当访问数据空间时，使用23位的地址。但是在访问数据空间时，将23位地址左移一位，并将地址总线上的最低有效位（LSB）置0，使得在对数据空间或程序空间寻址时，地址总线都传送24位地址。 

       数据空间被分成128个主数据页（第0页到第127页），每个主数据页的大小为64K字，指令通过7位的主数据页值和16位的偏移值共同来确定数据空间的任何一个地址。

      在第0主数据页中，前96个地址（00 0000h～00 005Fh）为存储映射寄存器（MMR）保留，相对应在程序空间有192个地址（00 0000h～00 00BFh），这段存储区为系统保留区，用户不能使用该区。

3.2 程序空间

      当CPU读取指令时，程序空间才被访问。CPU采用字节寻址来读取变长的指令，指令的读取要和32位的偶地址对齐（地址的低两位为零）。

     1.字节寻址（24位） 

      当CPU从程序空间读取指令时，采用字节寻址，即按字节分配地址，且地址为24位。一个行宽为32位存储器的地址分配由下图说明，每个字节分配一个地址，例如字节0的地址是00 0100h，字节2的地址是00 0102h。

字节地址 00 0100h～00 0103h 

字节0  字节1 字节2

     2. 程序空间的指令结构

      DSP支持8位、16位、24位、32位和48位长度的指令。表2-5和图2-9说明了指令在程序空间如何存放。在32位宽的存储器中存放了5条指令，每一条指令的地址是指操作码最高有效字节的地址，阴影部分表示没有代码。

表2-5 指令长度及地址分配

指    令	长度（位）	地    址
A	24	00 0101h
B	16	00 0104h
C	32	00 0106h
D	8	00 010Ah
E	24	00 010Bh

 

图2-9 存储器中的指令

字节地址	字节0	字节1	字节2	字节3
00 0100h～000103h		A（23～16）	A（15～8）	A（7～0）
00 0104h～000107h	B（15～8）	B（7～0）	C（31～24）	C（23～16）
00 0108h～00010Bh	C（15～8）	C（7～0）	D（7～0）	E（23～16）
00 010Ch～00010Fh	E（15～8）	E（7～0）

 

      3. 程序空间的边界对齐

     在程序空间存放指令时不需要边界对齐，当读取指令时要和32位的偶地址对齐。也就是说，在读取一条指令时，CPU要从最低两位是0的地址读取32位的代码，这样的地址其最低位应是0h，4h，8h和Ch。

       不过，也会遇到写入到程序计数器PC中的地址值和程序空间的读取地址不一致的情况，例如，执行一个子程序B：

                                          CALL B

        假设子程序的第一条指令C的地址是00 0106h，PC的值是000106h，但是读程序地址总线（PAB）上的值是32位边界地址000104h，CPU在00 0104h地址开始读取4字节的代码，而第一个被执行的指令是C。

3.2 数据空间

      C55x DSP采用字寻址来读/写数据空间的8位、16位或32位数据。

      1．字寻址（23位）

      当CPU访问数据空间时，采用字寻址，即为每个16位的字分配一个23位宽的地址，下面说明了一行32位宽的存储器的地址分配，字0的地址为00 0100h，字1的地址为00 0101h。 

 

字地址

100～001h 字0 字1

       由于地址总线是24位宽，所以，当CPU读/写数据空间时，23位的地址左移一位，最低位补0。例如，一条指令在23位地址00 0102h上读一个字，读数据地址总线上传送的值是00 0204h，如下所示。

字地址：000 0000 0000 0001 0000 0010

读数据地址总线：0000 0000 0000 0010 0000 0100

      2．数据类型

      C55x DSP指令处理的数据类型有8位、16位和32位。

      数据空间是采用字寻址，但C55x有专门的指令可以选择字的高字节或低字节，进行8位数据的处理。字节装载指令将从数据空间读取的字节进行0扩展或符号扩展，然后装入寄存器中；字节存储指令可将寄存器中的低8位数据存储到数据空间指定的地方。

 

字节装载和字节存储指令       

指   令	存取的字节	操   作
MOV high_byte(Smem) , dst MOV low_byte(Smem) , dst MOV high_byte(Smem)<<#SHIFTW , ACx MOV low_byte(Smem) <<#SHIFTW , ACx	Smem(15～8) Smem(7～0) Smem(15～8) Smem(7～0)	字节装载
MOV src , high_byte(Smem) MOV src , low_byte(Smem)	Smem(15～8) Smem(7～0)	字节存储

        当CPU存取长字时，存取地址是指32位数据的高16位（MSW）的地址，而低16位（LSW）的地址取决于MSW的地址。具体说明如下所示。

        如果MSW的地址是偶地址，则LSW的地址加1。 

       字地址

       100～001h MSW LSW

       如果MSW的地址是奇地址，则LSW的地址减1。

       字地址

       100～001h LSW  MSW

       对于已确定地址的MSW（LSW），将其地址的最低有效位取反，可得到LSW（MSW）的地址。

       3．数据空间的数据结构

        下面通过实例来说明数据在数据空间是如何存储的。有7种变长的数据存储在32位宽的存储器中。

         根据表2-7和图2-10可以看出，为了存取一个长字必须参考它的MSW，C的存取地址是00 0102h，D的存取地址是00 0105h；字地址也可以存取字节，如在地址00 0107h上，同时存放了数据F（高字节）和数据G（低字节）。利用表2-6中的专用指令可以进行字节的存取。

表2-7 数据长度及地址分配

数   据	数据类型	地   址
A	字节	00 0100h（低字节）
B	字	00 0101h
C	长字	00 0102h
D	长字	00 0105h
E	字	00 0106h
F	字节	00 0107h（高字节）
G	字节	00 0107h（低字节）

图2-10 存储器中的指令

字 地 址	字   0	字   1
00 0100h～00 0101h	A	B
00 0102h～00 0103h	C（31～16）	C（15～0）
00 0104h～00 0105h	D（15～0）	D（31～16）
00 0106h～00 0107h	E	F	G

 

 

3.3 I/O空间

      C55x DSP的I/O空间与数据/程序空间是分开的，采用16位宽的字寻址，即为每个字分配一个16位地址，其寻址范围为64K字，如下所示：

 

地址                       I/O空间
0000h～FFFFh	64K字

当CPU访问I/O空间时，用DAB读数据，用EAB写数据。由于DAB和EAB都是24位的，所以在16位地址前补0构成24位地址。例如，一个指令在地址0102h处读取一个字，DAB上传送的地址是000102h。 4 堆栈操作 4.1 数据堆栈和系统堆栈 C55x支持两个16位堆栈，即数据堆栈和系统堆栈
     访问数据堆栈时，CPU将SPH和SP连接成XSP
XSP包含了一个最后推入数据堆栈的23位地址，其中SPH里是7位的主数据页，SP指向该页上的一个字。
CPU在每推入一个值入堆栈前，减小SP值；从堆栈弹出一个值以后，增加SP值。在堆栈操作中，SPH的值不变。
    访问系统堆栈时CPU将SPH和SSP连接成XSSP。
XSSP包含了一个最后推入系统堆栈的值的地址
CPU在每推入一个值进堆栈前，减小SSP值；从堆栈弹出一个值以后，增加SSP值。在堆栈操作中，SPH的值不变
     SSP可以与SP关联，也可以独立于SP
     如果选择32位堆栈配置，则修改SSP与SP的方法一样
     如果选择双16位堆栈配置，则SSP与SP独立，SSP只有在自动环境切换时才能被修改      4.22 堆栈配置 C55x提供了3种可能的堆栈配置
     一种配置使用快返回过程
     另外两种使用慢返回过程
通过给32位复位向量的第29、28位填入适当值，可以选择一种堆栈配置方式
复位向量的低24位就是复位中断服务子程序（ISR）的起始地址     快返回与慢返回过程的区别在于CPU怎样保存和恢复两个内部存储器（即程序计数器PC和一个循环现场寄存器）的值
PC装的是I单元里1～6个字节代码的24位地址
一个8位的循环现场（loop context）寄存器存放激活循环记录
CPU执行中断或调用时，保存当前的循环现场，然后清零该寄存器，为新的子程序创建循环现场。当CPU从子程序返回时，再在该寄存器恢复原来的循环现场。     在快返回过程里
返回地址保存在寄存器RETA中
循环现场保存在寄存器CFCT中
用专门的32位装入和存储指令可同时读/写RETA 和CFCT
    在慢返回过程里，返回地址和循环现场保存在堆栈里（在存储器里），当CPU从子程序返回时，这些数据的恢复速度取决于访问存储器的速度
5 中断和复位操作
5.1 中断概述 中断定义:由硬件或软件驱动的信号，使DSP将当前的程序挂起，执行另一个称为中断服务子程序（ISR）的任务。
C55x支持32个ISR。有些ISR可以由软件或硬件触发，有些只能由软件触发。
当CPU同时收到多个硬件中断请求时，CPU会按照预先定义的优先级对它们做出响应和处理。 中断的分类
可屏蔽中断：可以通过软件来加以屏蔽
不可屏蔽中断：不能被屏蔽
所有的软件中断都是不可屏蔽中断
 DSP处理中断的步骤 （1）接收中断请求。软件和硬件都要求DSP将当前程序挂起。
（2）响应中断请求。CPU必须响应中断。如果是可屏蔽中断，响应必须满足某些条件。如果是不可屏蔽中断，则CPU立即响应。
（3）准备进入中断服务子程序。
      CPU要执行的主要任务有：
完成当前指令的执行，并冲掉流水线上还未解码的指令
自动将某些必要的寄存器的值保存到数据堆栈和系统堆栈
从用户实现设置好的向量地址获取中断向量，该中断向量指向中断服务子程序 （4）执行中断服务子程序。
CPU执行用户编写的ISR。ISR以一条中断返回指令结束，自动恢复步骤（3）中自动保存的寄存器值。
☼  注意：
 外部中断只能发生在CPU退出复位后的至少3个周期后，否则无效；
 在硬件复位后，不论INTM位的设置和寄存器IER0、IER1的值如何，所有的中断都被禁止，直到通过软件初始化堆栈后才开放中断。 5.2 中断向量与优先级 5.3 可屏蔽中断 所有的可屏蔽中断都是硬件中断。
无论硬件何时请求一个可屏蔽中断，在一个中断标志寄存器里就有相应的中断标志置位。该标志一旦置位，相应的中断还必须使能，否则不会得到处理。 用来开放可屏蔽中断的位和寄存器 处理可屏蔽中断标准过程的基本模型 当CPU在实时硬件仿真模式下暂停时，只能处理时间临界中断。处理时间临界中断的基本模型 5.4 不可屏蔽中断 当CPU接收到一个不可屏蔽中断请求时，立即无条件响应，并很快跳转到相应的中断服务子程序（ISR）
C55x的不可屏蔽中断有：
硬件中断/RESET。如果引脚/RESET为低电平，则触发了一个DSP硬件复位和一个中断（迫使执行复位ISR）。
硬件中断/NMI。如果引脚/NMI为低电平，则CPU必须执行相应的ISR。 /NMI提供了一种通用的无条件中断DSP的硬件方法。
软件中断。所有软件中断可用表2-37所示的指令初始化。 6 硬件复位   硬件复位后，DSP处于一个已知状态：
    所有当前指令全部终止，指令流水清空，CPU寄存器复位 然后CPU执行中断服务子程序，读复位中断向量时，CPU用32位复位向量的第29、28位来确定堆栈配置模式
7 软件复位    软件复位只影响IFR0、IFR1、ST0_55、ST1_55和ST3_55
不影响其它寄存器