數字信號處理器DSP與慢速外圍設備接口的設計方法解析

DSP是一種高性能的數字信號處理器。由于其具有快速的計算能力和強大的信息處理能力，因此被廣泛地應用到工業自動化、國防科研等領域中。與常規單片機相比，DSP的內部結構和時序發生了很大的變化。所以單片機適用的接口芯片，DSP并不一定適用。對于非常熟悉單片機電路的設計人員，在進行DSP電路設計時，應特別注意芯片的選型和時序的搭配。尤其在處理DSP與慢速設備或器件接口時，正確的時序搭配是至關重要的。

為了適應較慢的外部存儲器和輸入/輸出設備，DSP配備了軟件可編程等待狀態發生器，可以將外部總線周期擴展到數個機器周期。由于受硬件條件的限制，這種擴展通常也是有限的，如C54XX系列的DSP最多只能擴展到14個機器周期，C2XX系列的DSP最多只能擴展到7個機器周期。但在實際應用過程中，經常會遇到讀寫周期更慢的輸入/輸出設備，如液晶顯示模塊、打印機、鍵盤等。因此，僅通過軟件編程控制內部狀態等待發生器是不能實現輸入/輸出時序匹配的，必須進行外部硬件擴展設計。

在DSP與慢速外圍設備接口設計過程中，通常采用雙CPU的方法，由DSP完成高速數據處理和計算，用普通單片機（如51系列單片機）實現系統的輸入/輸出功能。這種方法由于采用兩種結構不同的CPU，增加了系統的復雜性，而且接口和調試難度加大。本文將利用DSP的READY（外部設備準備就緒）引腳，通過硬件擴展實現外部狀態自動等待，從而使DSP與慢速輸入/輸出設備能直接連接以實現訪問的時序匹配。這種方法接口容易，硬件擴展電路并不復雜，而且內、外等待狀態結合起來使用，可產生任何數目的等待狀態，甚至可以將外部硬件等待狀態設計為受控方式，只在需要的時候啟動外部等待狀態。這樣，使用的時候就會更加靈活。

1 DSP的I/O讀寫時序

現以TMS320F206 DSP芯片為例進行介紹。其時鐘頻率設20MHz，它的外部讀寫時序如圖1所示。

TMS320F206的讀周期為一個時鐘周期（5ns），寫周期為兩個時鐘周期。讀、寫操作數據的保持時間T1、T2只有幾個納秒。內部可編程等待狀態發生器最多只能擴展到等待7個時鐘周期，即350ns。利用內部狀態等待，只能實現DSP與常用單片機的外圍芯片的讀寫時序相匹配。

2 慢速設備的讀寫時序

現以MDL（S）16465字符液晶顯示模塊為例進行介紹。其讀寫時序如圖2和圖3所示。

該液晶模塊的讀寫周期Tcyc最小為1000ns。脈沖寬度Pw最小為450ns，讀寫操作數據保持時間最小為10ns。如果采用直接連接方式將TMS320F206與該液晶模塊接口，即使采用最大的狀態等待數目，DSP的讀寫時序也不能滿足該液晶模塊的要求。為實現二者的時序匹配，本文將給出一種合適的外部硬件等待擴展方法，以實現DSP與液晶模塊的直接讀寫訪問控制。

3 DSP的READY信號

TMS320F206提供兩種狀態等待選項，一種是片內狀態等待產品器，可以實現有限的可編程狀態等待；另一種是READY信號，利用它可進行硬件擴展，從片外產生任何數目的狀態等待。

DSP在進行外部讀寫操作時，如果READY引腳信號為低電平，DSP將等待一個時鐘周期后再次檢查READY信號。在READY引腳被驅動至高電平之前，程序處于等待狀態，將不會繼續往下執行。如果不使用READY信號，DSP在進行外部訪問期間內，READY應始終保持高電平。

利用DSP的READY信號和相關外部訪問控制信號，通過硬件擴展，可以實現外部自動狀態等待，從而使DSP能夠與慢速外部設備進行直接連接訪問。

4 DSP與慢速外部設備的直接訪問接口

外部狀態等待硬件擴展電路采用一片12級的二進制波紋計數器74HC4040來實現，該芯片每一級的輸出信號的頻率為前級的一半。將TMS320F206的時鐘輸出信號CLKOUT1作為74HC4040的輸入時鐘，如果CLKOUT1為20MHz，那么最大等待時間可以達到2 12×50ns，使用者可以根據外部設備的時序需要選用74HC4040的不同輸出引腳進行等待控制。由于輸入時鐘的頻率較高，一般的CD4040或MC14040芯片響應速度不夠快，至少應選和74HC4040或響應速度更快的芯片。

自動硬件等待擴展電路如圖4所示。選用74HC4040的Q5腳輸出作為延時等待控制，等待時間為1600ns。將Q4腳輸出信號分別與DSP的讀寫信號相或，產生外部設備的讀寫控制信號，這樣可以充分保證讀寫操作時數據的保持時間。該電路所產生的時序如圖5所示。

經過以上硬件狀態等待擴展，DSP以外部設備讀寫周期達到1600ns，讀寫操作的數據保持時間大于20ns，滿足液晶模塊的時序要求。此外，DSP在進行內部程序和數據訪問時，READY始終為高電平，不影響DSP的內部運行速度。應用該電路，DSP與MDL（S）16465液晶模塊的直接訪問連接如圖6所示。

RS為液晶模塊的數據指令控制輸入端，“1”表示數據，“0”表示指令；R/W為讀寫控制輸入端，“1”為讀操作，“0”為寫操作；E為使能控制輸入端，高電平有效。按圖6的接法，用兩根地址線A8、A9分別與RS、R/W相連，根據每個引腳的功能定義，液晶模塊的指令口寫地址為0000H，指令口讀地址為0200H，數據口寫地址為0100H，數據口讀地址0300H。DSP對液晶模塊的訪問控制子程序如下：

lcdcwaddr .set 0000h ;指令口寫地址

lcdcraddr .set 0200h ;指令口讀地址

lcddwaddr .set 0100h ;數據口寫地址

lcddraddr .set 0300h ;數據口讀地址

lcdenable:splk #6ff2h，60h ;io1=1

out 60h，iosr ;lcd enabled

ret

lcddisable:splk #6ff0h，60h ;io1=0

out 60h，iosr ;lcd disabled

lcdrw： call lcdenable

in 60h，［讀地址］ ；讀操作

out 61h，［寫地址］ ；寫操作

call lcddisable

ret

利用TMS320F206的IO1作為讀寫使能控制信號調用LCDENABLE和LCDDISABLE兩個子程序打開和關閉對液晶模塊的訪問功能。除了需要調用兩個簡單的控制子函數以外，讀寫操作分別由IN和OUT兩條指令完成，實現對該液晶模塊的直接讀寫訪問。由于該液晶模塊沒有單獨的讀寫控制引腳，訪問控制要求比較特殊，所以只能按照圖6的方式進行連接。

如果外部設備具有單獨的讀寫控制引腳，可直接與圖4中的DEV-RD和DEV-WE分別相連，然后將數據線與地址線對應連接，就能夠進行直接讀寫訪問控制。作者為處理鍵盤輸入和打印機輸出接口時，就是采用這種連接方式。使用結果表明，訪問和控制都十分可靠。

由于DSP的應用日益廣泛，作為一個完整的控制系統和測試設備，參數設備、結果顯示等基本的輸入/輸出功能是必不可少的。因此，DSP與慢速設備的接口將是各種科研和開發中經常遇到的問題。本文給出的硬件接口方法能夠實現DSP的外部訪問自動狀態待，使高速的DSP芯片與傳統的慢速輸入輸出設備融入一個系統，不僅有效地解決了DSP與各種慢速設備訪問時序的匹配問題，而且硬件電路設計簡單、訪問直接、控制編程容易，進一步拓展了DSP在工業自動控制和測試設備中的應用空間。
來源；電子工程網