C6000与C2000系列DSP之间串行数据通讯的研究与实现

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MS320C6711是TI公司TMS320C6000系列32位浮点DSP，它具有专用硬件逻辑的CPU、片内存储器、片内外设，支持汇编和C语言的单独或混合编程。该系列DSP最主要的特点是采用了VLIW体系结构，因此可以单周期发射多条指令，实现很高的指令级并行效率。其计算和处理速度非常快，系统单指令周期可达到6.67ns，被广泛用于DSL、无线基站、雷达声纳、数字图像处理等方面。在TMS320C6711中有2个多通道缓冲串行接口McBSP，McBSP不仅可以配制成串行接口，还可以独立配制成通用的输入(GPI)、输出(GPO)和输入输出端口(GPIO)。其优点是数据处理能力强大，但控制接口少，片内集成外部设备少，控制能力较弱。


　　TI公司的TMS320LF2407为16位定点DSP微控制器，内嵌有看门狗定时器（WDT）、CAN总线控制器、模数转换器(ADC)、串行外设接口(SPI)、异步串行口(SCI)等多种外设模块，并有大量输入输出引脚（GPIO），可以满足控制系统多方面的控制需求。但由于TMS320LF2407的指令周期最短为25ns(40MHz主频)，对于数据处理运算量特别大的系统，其运算速度略显不足。


　　多数数字图像处理应用系统既要求系统有强大的数据处理能力，以满足对图像处理的实时性要求，又要求系统有强大的控制能力，以便实现对外部众多设备的控制。在实际应用系统中，将TMS320C6711作为处理器完成数字图像的实时处理，TMS320LF2407作为控制器完成系统的控制功能，便可兼顾系统的数据处理能力与外部设备控制能力。这样的系统要求在TMS320C6711和TMS320LF2407之间建立有效的数据交换通道，本文所介绍的设计思想就是基于以上工程需要提出的。


1 系统结构


　　本系统为嵌入式数字图像处理系统，数字图像数据由下位机TMS320C6711处理，处理结果采用异步串口通讯的方式传送给上位机TMS320LF2407，TMS320LF2407将采集到的模拟量、开关量等参数，与通过异步串口接收到的图像处理结果一起通过CAN总线向远程监控终端发送。
                     
　　TMS320C6711的多通道缓冲串行接口McBSP与TMS320LF2407的SCI模块，通过特定的软硬件设计可以支持使用标准格式的异步数字通讯。通讯数据的格式为:一个起始位、数据(长度可通过编程在16位～8位内可选)位、可供选择的奇/偶/非极性位、一个或两个停止位。
                     
1.1 McBSP接口


　　McBSP可以分为数据通道和控制通道两部分。数据发送引脚（DX）和数据接收引脚（DR）分别负责数据的发送和接收，发送时钟引脚(CLKX)、接收时钟引脚(CLKR)、发送帧同步引脚(FSX)和接收帧同步引脚(FSR)提供串行时钟和控制信号。CPU和DMA控制器通过外设总线与McBSP进行通讯。当发送数据时，CPU和DMA将数据写入数据发送寄存器(DXR1，DXR2)，接着复制到发送移位寄存器(XSR1，XSR2)，通过发送移位寄存器输出至DX引脚。同样,当接收数据时，DR引脚上接收到的数据先移位到接收移位寄存器(RSR1，RSR2)，接着复制到接收缓冲寄存器(RBR1，RBR2)，RBR再将数据复制到数据接收寄存器(DRR1，DRR2)中，并通过串口事件通知CPU或DMA读取数据。这种多极缓冲方式使得片内数据通讯和串行数据通讯能够同时进行。
                              
1.2 SCI接口


　　SCI模块支持CPU和其他使用标准格式的异步设备间的通讯。它具有SCIRXD(串行数据接收端)和SCITXD(串行数据发送端)两个I/O引脚。在全双工模式下具有一个发送器(包括SCITX2BUF及其主寄存器TXSHF)、一个接收器(包括SCIRXBUF及其RXSHF)。发送器在SCITXBUF存放要发送的数据，并每次一位地将数据移位至SCITXD引脚；接收时则每次一位地将SCIRXD引脚上的数据移入，载入SCIRXBUF和SCIRXEMU给CPU读取。具有一个可编程的波特率发生器，可得到超过65 000种不同的可编程速率。SCI为接收器和发送器提供独立的中断请求和中断向量：如果RX/BKINT ENA位(SCICTL2.1)被置位，当SCI接收到一个完整的帧，并把RXSHF中的数据传送到SCIRXBUF时，这个动作置位RXRDY标志(SCIRXST.6)并启动一个中断。如果TX INT ENA位(SCICTL2.0)被置位，则在任何时候，只要SCITXBUF中的数据送到TXSHF，发送器中断就会被认定，表示CPU可以向SCITXBUF写。这个动作置位TXRDY标志位，并启动一个中断。


2 硬件实现


　　当TMS320C6711D与TMS320LF2407A进行标准异步串行通讯时，TMS320LF2407A的SCI接口可直接支持该通讯，只需将SCI接口通过内部特殊功能寄存器配置为串行接口模式即可。而TMS320C6711D的McBSP除通过内部特殊功能寄存器配置成串行接口外，在硬件设计上还应将DR和FSR短接，并与SCI的串行数据发送引脚(SCITXD)相连。这是由于标准异步串行通讯中数据线上既包含了帧同步信息，也包含了数据信息。SCI的串行数据接收引脚（SCIRXD）与McBSP的DX相连。


　　由于TMS320C6711D与TMS320LF2407A的接口电压均为3.3V，二者引脚可直接相连，不需要电平转换。


                        
3 软件参数的配置与计算
3.1 针对TMS320C6711D


　　(1)波特率的计算


　　TMS320C6711D内部生成的串行时钟由系统时钟频率SYSCLK和采样率发生寄存器决定。MCBSP的内部数据时钟频率即异步波特率由以下公式确定：


　　MCBSP异步波特率=采样率发生寄存器输入时钟频率/(CLKGDV+1)


　　其中：CLKGDV=采样率发生寄存器输入时钟频率/McBSP异步波特率-1。


　　当采样率发生寄存器的CLKSM=1时，采样率发生寄存器输入时钟频率=CPU内核输入时钟/2；


　　当采样率发生寄存器的CLKSM=0时，采样率发生寄存器输入时钟频率=CPU内核输入时钟。


　　在本系统中，TMS320C6711D的内核输入时钟为150MHz，采样率发生寄存器的CLKSM位设置为1。若使McBSP异步通讯波特率为312.5kb/s，则依据以上公式，采样率发生寄存器的CLKGDV段参数应配置为239，即十六进制的0xEF。


　　(2)特殊功能寄存器的初始化


　　TMS320C6711D内部与McBSP配置相关的特殊功能寄存器主要有：串口控制寄存器（SPCR）、接收控制寄存器（RCR）、发送控制寄存器（XCR）、采样率发生器寄存器（SRGR）、多通道控制寄存器（MCR）、接收通道使能寄存器（RCER）、发送通道使能寄存器（XCER）、管脚控制寄存器（PCR）。


　　 TMS320C6711的McBSP与TMS320LF2407的SCI模块通讯时，系统对McBSP的配置要求为：数据为单项帧；每帧一个数据单元；数据单元字长为8bit；时钟下降沿处接收数据；在上升沿处发送数据；帧同步信号高有效；帧同步有效后，在其后的第一个时钟周期启动该帧的传输，即数据延迟为0；异步通信波特率为312.5kb/s。
                           
3.2 针对TMS320LF2407A


　　(1)波特率的计算


　　TMS320LF2407A内部生成的串行时钟由系统时钟SYSCLK频率和波特率选择寄存器决定。串行通信接口使用16bit波特率选择寄存器，数据传输速度可以被编程为65000多种不同的方式。


　　不同通信模式下的串行通信接口异步波特率由下列方法决定：


　　BRR=1～65 535时的串行通信接口异步波特率为：


　　SCI异步波特率=SYSCLK/[(BRR+1)×8]


　　其中：BRR= SYSCLK/(SCI异步波特率×8)-1


　　BRR=0时的串行通信接口异步波特率为：


　　SCI异步波特率=SYSCLK/16


　　这里BRR等于波特率选择寄存器的16位值。


　　在本系统中，TMS320LF2407A的系统输入时钟为25MHz，若使SCI异步通信波特率为312.5kb/s，则依据以上公式，波特率选择寄存器参数应配置为9，即十六进制的0x0009。


　　(2)特殊功能寄存器的初始化


　　TMS320LF2407的SCI模块的异步串行通讯配置包括管脚配置、通讯模式配置和中断配置三方面，相关的特殊功能寄存器包括复用控制寄存器(MCRA)、端口数据和方向控制寄存器（PADATDIR）、串行通讯接口控制寄存器1和2(SCICTL1和SCICTL2)、通讯控制寄存器（SCICCR）、波特率选择高字节寄存器和低字节寄存器(SCIHBAUD和SCILBAUD)、优先级控制寄存器(SCIPRI)、接收状态寄存器（SCIRXST）等。