第2章 TMS320C54x的CPU结构和存储器配置 2.1 TMS320C54x DSP的结构 2.2 TMS320C54x的总线结构 2.4 TMS320C54x存储器和I/O空间

2.1 TMS320C54x DSP的结构 2.1.1 TMS320C54x DSP的基本结构

图2-1 TMS320C54x的组成框图

图2-2 TMS320C54x的功能框图

TMS320C54x是16位定点DSP。TMS320C54x的中央处理单元(CPU)具有改进的哈佛结构、低功耗设计和高度并行性等特点。除此之外，高度专业化的指令系统可以全面地发挥系统性能。使用TMS320C54x的专用硬件逻辑的CPU，再配以按照用户需要所选择的片内存储器和片内外设，可组成用户的ASIC(Application Specific Intergrated Circuit，专用集成电路)以应用于电子产品的不同领域。

2.1.2 TMS320C54x DSP的主要特点 TMS320C54x系列定点DSP芯片共享同样的CPU内核和总线结构，但每一种器件片内存储器的配置和片内外设不尽相同。表2-1提供了TMS320C54x各DSP基本性能的概要。

表2-1 TMS320C54x系列基本配置汇总表

TMS320C54x的主要特征如下： (1) CPU(中央处理单元)利用其专用的硬件逻辑和高度并行性提高芯片的处理性能。 ● 1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线组成的改进型哈佛结构，提供了更快的速度和更高的灵活性。 ● 40 bit的算术逻辑单元(ALU)包括40 bit的桶形移位器和两个独立的40 bit累加器A、B。 ● 17×17 bit并行乘法单元和专用的40 bit加法器用于无等待状态的单周期乘/累加操作。

● 比较、选择和存储单元(CSSU)能够完成维特比(Viterbi，通信中的一种编码方式)的加/比较/选择操作。 ● 指数译码器可以在单周期内对40 bit累加器进行指数运算。 ● 两个地址发生器包括8个辅助寄存器(AR0～AR7)和两个辅助寄存器算术运算单元(ARAU0、ARAU1)。 ● TMS320C5420还包括一个双CPU的结构。

(2) 存储器具有192 K字可寻址存储空间(包括64 K字程序存储空间、64 K字数据存储空间和64 K字I/O空间)。其中，TMS320C548、TMS320C549、TMS320C5402、TMS320C5410和TMS320C5420的程序存储空间还可以扩展到8 M字。 片内存储器配置因型而异。

(3) 高度专业化的指令集能够快速地实现算法并用于高级语言编程优化。其包括： ● 单指令重复和块指令重复。 ● 用于更好地管理程序存储器和数据存储器的块移动指令。 ● 32位长整数操作指令。 ● 指令同时读取2或3个操作数。 ● 并行存储和加载的算术指令。 ● 条件存储指令。 ● 快速中断返回。

(4) 片内外设和专用电路采用模块化的结构设计，可以快速地推出新的系列产品。其包括： ● 可编程软件等待状态发生器。 ● 可编程分区转换逻辑电路。 ● 可使用内部振荡源或外部振荡源的锁相环(PLL)时钟发生器。当使用外部振荡源时，内部允许使用多个值对芯片倍频。

● 外部总线接口可以禁止或允许外部数据总线、地址总线和控制线的输出。 ● 数据总线支持总线挂起的特征。 ● 可编程定时器。 ● 8 bit并行主机接口(HPI)。 ● 串行口：全双工串口(支持8 bit或16 bit数据传送)、时分多路(TDM)串口和缓冲(BSP)串口。

(5) TMS320C54x执行单周期定点指令时间为25/20/15/12.5/10 ns，每秒指令数为40/66/100MIPS。 (6) TMS320C54x电源由IDLE1、IDLE2和IDLE3功耗下降指令控制功耗，以便DSP工作在节电模式下，使之更适合于手机。其控制CLKOUT引脚的输出，省功耗。 (7) 在片仿真接口、片上的JTAG接口符合IEEE1149.1边界扫描逻辑接口标准，可与主机连接，用于芯片的仿真和测试。

2.2 TMS320C54x的总线结构 TMS320C54x DSP片内由8组16 bit总线(1组程序总线、3组数据线和4组地址总线)构成。程序总线(PB)传送从程序存储器装载的指令代码和立即数。这些总线的功能分别是：3组数据总线(CB、DB和EB)负责将片内的各种元器件相互连接，例如CPU、数据地址产生逻辑、程序地址产生逻辑、片内外设和数据存储器等。

TMS320C54x能利用两个辅助寄存器算术单元(ARAU0和ARAU1)在同一个周期内生成两个数据存储器地址。 PB能加载保存于程序空间的操作数(例如，系数表)，并将操作数传送到乘法器和加法器中进行乘累加操作，或利用数据移动指令(MVPD和READA)把程序空间的数据传送到数据空间。

TMS320C54x还有一组双向的片内总线用于访问片内外设，这组总线轮流使用DB和EB与CPU连接。访问者使用这组总线进行读/写操作需要两个或更多的周期，具体所需周期数取决于片内外设的结构。表格2-2总结了各种不同类型的总线访问。

表2-2 总线访问类型

2.3 TMS320C54x的CPU结构 CPU是DSP芯片中的核心部分，是用来实现数字信号处理运算和高速控制功能的部件。CPU内的硬件构成决定了其指令系统的性能。TMS320C54x的CPU包括：

● 40位算术逻辑单元(ALU)； ● 两个40位的累加器A、B； ● 桶型移位寄存器(Barrel Shifter)； ● 乘法器/加法器单元(Multiplier/Adder)； ● 比较、选择和存储单元(CSSU)； ● 指数编码器(EXP Encoder)； ● CPU状态和控制寄存器(ST0、ST1和PMST)； ● 寻址单元(Addressing Unit)。

2.3.1 算术逻辑运算单元 使用算术逻辑单元(ALU)和两个累加器(A、B)能够完成二进制的补码运算，同时，ALU还能够完成布尔运算。算术逻辑单元的输入操作数可以来自： ● 16位的立即数； ● 数据存储器中的16位字； ● 暂存器T中的16位字； ● 数据存储器中读出的2个16位字； ● 累加器A或B中的40位数； ● 移位寄存器的输出。

2.3.2 累加器 累加器A和B可作为ALU和乘法器/加法器单元的目的寄存器，累加器也能输出数据到ALU或乘法器/加法器中。累加器可分为三部分：保护位、高位字和低位字。累加器A和B的示意图如图2-3和图2-4所示。

图2-3 累加器A

图2-4 累加器B

保护位用于保存计算时产生的多余高位，防止在迭代运算中产生溢出，例如自相关运算。 AG、AH、AL、BG、BH和BL都是存储器映像寄存器(在存储空间中占有地址)，由特定的指令将其内容放到16位数据存储器中，并从数据存储器中读出或写入32位累加器值。

2.3.3 桶形移位器 桶形移位器能把输入的数据进行0～31位的左移和0～15位的右移。40位桶形移位器的输入来自数据总线DB的16位输入数据、DB和CB的32位输入数据及任意一个40位累加器，并输出到ALU，经过MSW/LSW(最高有效字/最低有效字)写选择单元至EB总线。它所移的位数就是指令中的移位数。移位数都是用二进制补码表示，正值表示左移，负值表示右移。移位数可由立即数、状态寄存器ST1中的累加器移位方式(ASM)字段和被指定为移位数值寄存器的暂存器T来决定。

桶形移位器可以执行以下定标操作： ● 在执行ALU操作前预定好一个数据存储器操作数或累加器内容； ● 对累加器的值进行算术或逻辑移位； ● 归一化累加器； ● 在保存累加器到数据存储器之前定标累加器。

2.3.4 乘累加器单元 TMS320C54x CPU的乘累加器单元能够在一个周期内完成一次17*17 bit的乘法和一次40位的加法。乘法器和ALU并行工作可在一个单指令周期内完成一次乘累加(MAC)运算。该单元能够快速高效地完成如卷积、相关和滤波等运算。乘法器/加法器单元由17×17 bit的硬件乘法器、40位专用加法器、符号位控制逻辑、小数控制逻辑、0检测器、溢出/饱和逻辑和16位的暂存器(T)等部分组成，可支持有/无符号的整数、小数乘法运算，并可对结果进行舍入处理。

乘累加器单元的一个输入操作数来自T寄存器、数据存储器或累加器A(31～16位)；另一个则来自于程序存储器、数据存储器、累加器A(31～16位)或立即数。乘法器的输出加到加法器的输入端，累加器A或B则是加法器的另一个输入端，最后结果送往目的累加器A或B。

2.3.5 比较选择存储单元   通信领域常常用到维持比(Viterbi)算法，该算法需要完成大量的加法/比较/选择(ACS)运算。CSSU单元支持各种Viterbi算法，其中加法由ALU单元完成，只要将ST1中的C16置1，所有的双字指令都会变成双16位算术运算指令，这样ALU就可以在一个机器周期内完成两个16位数的加/减法运算，其结果分别存放在累加器的高16位和低16位中。CSSU可以最大限度地完成累加器高字与低字的比较操作，即选择累加器中较大的字，并存储在数据存储器中，且不改变状态寄存器ST0中的测试/控制位TC字段和状态转移寄存器TRN的值。CSSU利用优化的片内硬件加速Viterbi的蝶形运算。

2.3.6 指数编码器 指数编码器是一个专用硬件，它支持单周期指令EXP。它可以求出累加器中的指数值，并以二进制补码形式存放于T中。用EXP和NORM指令可以对累加器中的内容归一化，完成定点数和浮点数之间的转换。

2.3.7 CPU状态控制寄存器 1．状态寄存器(ST0和ST1) 使用置位指令SSBX和复位指令RSBX可以单独设置和清除状态寄存器的各位。例如： SSBX SXM ；符号扩展SXM=1 RSBX SXM ；禁止符号扩展SXM=0 APR、DP和ASM字段可以通过LD指令装载一个短立即数，ASM和DP也可以通过LD指令由数据存储器装载。 ST0的结构如图2-5所示，含义见表2-3。

图2-5 ST0寄存器结构

表2-3 ST0 寄 存 器

图2-6 ST1寄存器结构

表2-4 ST1寄 存 器

2．处理器工作方式状态寄存器(PMST) PMST可由存储器映像寄存器指令装载，如STM。图2-7是PMST寄存器的结构图。PMST各位的含义列于表2-5中。

图2-7 PMST寄存器结构

表2-5 PMST寄存器

2.3.8 寻址单元 TMS320C54x有两个地址发生器：PAGEN(Program Address Generation Logic)和DAGEN(Data Address Generation Logic)。PAGEN包括程序计数器PC、IPTR、块循环寄存器(RC、BRC、RSA和REA)，这些寄存器可支持程序存储器寻址。DAGEN包括循环缓冲区大小寄存器BK、DP、堆栈指针寄存器SP、8个辅助寄存器(AR0～AR7)和2个辅助寄存器算术单元(ARAU0和ARAU1)。8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术单元一道可进行16位无符号数算术运算，支持间接寻址模块，AR0～AR7由ST0中的ARP来指定。

2.4 TMS320C54x存储器和I/O空间 DSP扩展存储器主要分为两类：ROM和RAM。ROM包括EPROM、EEPROM、Flash Memroy等。这一类存储器主要用于存储用户程序和系统常数表，一般映像在程序存储空间。RAM主要指静态RAM(SRAM)。本章主要讨论片内存储器，而片外扩展存储器将在第8章中详细介绍。

所有TMS320C54x芯片内都包含随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。在芯片中有两类RAM：双寻址RAM(DARAM)和单寻址RAM(SARAM)，分别也可称为双口RAM和单口RAM。DARAM每个机器周期可被访问两次。TMS320C54x因具体器件不同，片内存储器的类型或容量也有些差异。表2-6列出了几种常用的TMS320C54x器件的存储器容量。

TMS320C54x有26个CPU寄存器和片内外设寄存器被映像在数据存储空间，各类TMS320C54x存储器的特征及组织和使用不同的片内存储器块将在下面详细介绍。

表2-6 TMS320C54x内部存储器容量

2.4.1 存储器空间 TMS320C54x采用改进的哈佛结构。存储空间由三个独立可选的存储空间组成，这三个独立可选的存储空间包括64 K字的程序存储空间、64 K字的数据存储空间和64 K字的I/O空间。片内或片外的ROM和RAM、外部的EPROM和EEPROM以及芯片中的存储器映像寄存器包括在这三个空间中。

在TMS320C54x中，片内存储器有DARAM、SARAM和ROM三种类型。它们通常配置在数据存储空间，但也可以配置在程序存储空间。片内ROM则一般配置在程序存储空间，但一部分ROM也可以配置到数据存储空间中。 TMS320C54x的工作方式状态寄存器PMST提供了三个控制位：MP/、OVLY和DROM，用于在存储空间中配置片内存储器。使用这三个控制位可以设置片内存储器是否配置到存储空间，并指定片内存储器是配置到程序存储空间还是数据存储空间。

● MP/ ：微处理器/微型计算机工作方式位。 当MP/ =0时，允许片内ROM配置到程序存储空间； 当MP/ =1时，禁止片内ROM配置到程序存储空间。 ● OVLY：RAM重叠位。 当OVLY=1时，片内ROM配置到程序和数据存储空间； 当OVLY=0时，片内RAM仅配置到数据存储空间。 ● DROM：数据ROM位。 当DROM=1时，片内ROM配置到程序和数据存储空间。 当DROM=0时，禁止ROM配置到数据存储空间。 DROM的用法与MP/ 的状态无关。

图2-8～图2-12是TMS320C54x芯片数据和程序存储空间的配置图，从中也可以看到上述三个控制位与内存储器的关系。

图2-8 TMS320C541存储器图

图2-9 TMS320C543 存储器图

图2-10 TMS320C545 存储器图

图2-11 TMS320C548存储器图

图2-12 TMS320C5402存储器图

2.4.2 程序存储器 TMS320C54x可以寻址64 K字的程序存储空间。(TMS320C548、TMS320C549、TMS320C5410、TMS320C5402和TMS320C5420可以扩展到8 M字。) TMS320C54x的片内ROM、片内双寻址RAM(DARAM)和片内单寻址RAM(SARAM)可以通过软件配置到程序存储空间中。如果片内存储器配置到程序存储器中，则芯片在访问程序存储器时会自动访问这些存储单元。当PAGEN产生了一个不在片内存储器的地址时，会自动使用一个外部总线操作。表2-7是TMS320C54x系列芯片的片内存储器配置。

表2-7 TSM320C54x芯片片内程序存储器配置 (单位：K字)

1．程序存储器配置 MP/ 和OVLY位决定片内存储器是否配置到程序存储空间。复位时，MP/ 引脚上的逻辑电平将设置PMST寄存器的MP/位。MP/ 引脚在复位时有效。复位后，PMST寄存器的MP/ 位决定芯片的工作方式，直到下一次复位。 下面以TMS320C541芯片(如图2-8所示)为例，介绍TMS320C54x器件的地址映像与程序存储器的分配。 图2-13给出了在两种情况下，两个控制位对程序存储器配置的影响。

图2-13 TMS320C541程序存储器配置图

当MP/ =1，OVLY=0时，TMS320C541工作在微处理器模式下，片内ROM、片内RAM不安排到程序存储空间。 当MP/ =0，OVLY=1时，TMS320C541工作在微型计算机模式下，片内28 K字ROM(9000H～FF7FH)、片内复位和中断向量(FF80H～FFFFH)可作为程序存储器；片内5 K字DARAM可作为程序存储器。

2．片内ROM的组织 为了提高芯片的性能，对片内的ROM按照块的方式组织，如图2-14所示。这样，可以在一个块中取指的同时不会影响在另一个块中读取操作数。

图2-14 TMS320C54x的片内ROM的组织

3．片内ROM在程序存储空间中的地址配置 当芯片复位时，复位、中断向量分配在FF80H开始的程序存储空间中，然而，TMS320C54x的中断矢量表可以重定位到任意一个128字的边界上去，这就很容易将中断矢量表从引导ROM中移出来，然后再根据存储器图安排。在片内ROM中，有128个字用于保存检测设备的目的，应用程序不要写到这段存储器中(FF00H～FF7FH)。

4．片内ROM的内容和配置 TMS320C54x的片内ROM的容量有大有小，大的ROM(24 K、28 K或48 K字)可把用户的程序代码写进去；小的ROM(高2K字)由TI公司定义。根据不同的型号，TMS320C54x的2 K字程序空间中包含以下内容：

● 自举加载程序：完成串行口、外部存储器、I/O口或并行口BOOT-LOAD功能的程序代码； ● 256字的μ率扩展表； ● 256字的A率扩展表； ● 256字的正弦表； ● 中断向量表。 图2-15是片内ROM中包含上述各种内容的总结。当MP/ ＝0时，FF80H～FFFFH配置成片内ROM。

图2-15 片内ROM程序存储器图

5．扩展程序存储器 TMS320C548/549/5402/5410/5420采用分页技术，可以将程序存储空间扩展为8 M字。因此，这些芯片提供了一些增强的特性： ● 23条地址线(TMS320C5402有18条地址线，TMS320C5420有18条地址线)； ● 额外的存储器映像寄存器、程序计数器扩展寄存器(XPC)； ● 6条额外的指令用于寻址扩展的程序存储空间，改变XPC的值。它们是：

FB[D]：远跳转。 FBACC[D]：远跳转到累加器A或B指定的地址。 FCALA[D]：远调用累加器A或B指定的子程序。 FCALL[D]：远调用。 FRET[D]：远返回。 FRETE[D]：远返回且中断允许。

以下两条指令使用累加器的23位数进行寻址： READA：从累加器A或B指定的程序存储器地址中读取操作数，并把它写到数据存储器地址中。 WRITA：从累加器A或B指定的数据存储器地址中读取操作数，并把它写到程序存储器地址中。 除此之外的其他指令不能影响XPC，它们只能在当前页中进行操作。

TMS320C548、TMS320C549和TMS320C5410的程序存储空间为128页，每页64 K字；TMS320C5402则仅有16页存储空间。下面分两种情况介绍TMS320C548的扩展程序存储器空间。 当MP/ =1，OVLY=0时，片内RAM不映像到程序空间。TMS320C548将程序空间分为128页，XPC=0…127，每页64 K字，如图2-16所示。

图2-16 TMS320C548扩展程序空间示意图

当MP/ =1，OVLY=1时，片上RAM配置到程序存储空间后，扩展程序存储器的所有页都被分成两个部分：共享部分和独立部分。共享部分有32 K字，在任何一页中都可以访问；而每页独立的32 K字则仅在特定页中被访问。图2-17给出了OVLY=1时，TMS320C548的扩展存储器图。

图2-17 TMS320C548扩展程序空间映像图

2.4.3 数据存储器 TMS320C54x可以寻址64 K字的数据存储空间，其片内ROM、片内双口RAM(DARAM)和片内单口RAM(SARAM)可以通过软件配置到数据存储空间。如果片内存储器配置到数据存储空间，则芯片在访问程序存储器时会自动访问这些存储单元。当DAGEN产生的地址不在片内存储器的范围内时，处理器会自动地对外部数据存储器寻址。表2-8是TMS320C54x系列芯片的片内数据存储器配置。

表2-8 TMS320C54x系列芯片片内数据存储器配置 (单位：K字)

1．数据存储器配置 数据存储器包含片内或片外的RAM，片内的DARAM映像到数据存储空间。一些TMS320C54x的芯片还能够把一部分片内ROM配置到数据存储空间中，这种配置需要修改PMST寄存器的DROM位。这部分片内ROM既可以在数据空间使能(DROM=1)，也可以在程序空间使能(MP/ =0)。在复位时，处理器把DROM位清零。

图2-18 TMS320C541数据存储器配置图

2．片内RAM配置 片内RAM可细分成若干块以提高性能。例如，分块后，允许用户在同一周期内从同一块DARAM中提取两个操作数，并将一个操作数写到另一块DARAM中。图2-19给出了片内RAM的分块图。

图2-19 片内RAM的分块图

3．存储器映像寄存器 在数据存储器的64 K字空间中，包含存储器映像寄存器MMR，它们都放在存储空间的第0页(0000H～007FH)。第0页包含如下内容： ● 存储器映像CPU寄存器(0000H～001FH)(共26个)，当寻址这些寄存器时，不需插入等待状态。 ● 外围电路寄存器(0020H～005FH)，访问它们需使用专门的外设总线结构。 ● 32字的暂存器SPRAM(0060H～007FH)。

表2-9列出了CPU存储器映像寄存器的地址及名称，各种TMS320C54x存储器映像外围电路寄存器参见附录4。

表2-9 存储器映像CPU寄存器

2.4.4 I/O空间 TMS320C54x除了程序存储空间和数据存储空间之外，还提供一个64 K字的I/O空间(0000H～0FFFFH)。I/O空间都在片外，它的作用是与片外设备连接。使用PORTR和PORTW两条指令可对I/O空间寻址。I/O空间的读/写时序不同于程序和数据存储器，它适用于访问映像到I/O空间的设备，而不是存储器。 TMS320C54x还有一个可屏蔽存储器保护选项，用来保护片内存储器的内容。当选定这项时，所有外部产生的指令都不能访问片内存储器空间。