【研发日记】嵌入式处理器技能解锁(三)——TI C2000 DSP的C28x内核

文章目录

前言

背景介绍

C28x内核

浮点单元(FPU)

快速整数除法单元(FINTDIV)

三角数学单元(TMU)

VCRC单元

CPU总线

指令流水线

总结

参考资料

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前言

        见《【研发日记】嵌入式处理器技能解锁(一)——多任务异步执行调度的三种方法》

        见《【研发日记】嵌入式处理器技能解锁(二)——TI C2000 DSP的SCI(串口)通信》

背景介绍

        C28x CPU是一个32位的定点处理器，该器件借鉴了DSP的最佳特性、精简指令集计算(RISC)、MCU架构、固件和工具集。其在TI C2000 DSP芯片的整体架构中，所处的位置如下：

C28x内核

        C28x CPU使用改进后Harvard架构和循环寻址。改进后的Harvard架构使指令和数据获取能够并行执行。CPU可以在读取指令和数据时，同时写入数据，以在整个流水线中保持单周期指令操作。CPU通过六条独立的地址/数据总线完成此操作。RISC特性包括：指令单周期执行、寄存器到寄存器操作和改进后的Harvard架构。MCU特性包括：通过直观的指令集、字节打包和解包以及位操作来实现易用性。C28x CPU的的组成结构如下：

        CPU Block用于程序存储器寻址、提取数据；解码和执行指令（8级流水线）；执行算术、逻辑和移位运算；以及控制CPU寄存器、数据存储器和程序存储器之间的数据传输。

        Emulation logic Block用于监测和控制DSP的各种部件和功能，用于芯片Debug和Test。

        Signals Block用于与提供一个CPU对外的接口，连接到memory、外围设备，对CPU和Emulation logic进行计时和控制，显示CPU和仿真逻辑状态，以及interrupts的应用。

浮点单元(FPU)

        C28x通过增加浮点处理器(FPU)——支持IEEE单精度浮点运算的寄存器和指令，来扩展C28x原本定点CPU的功能。C28x+FPU，包含标准C28x寄存器集以及一组额外的浮点单元寄存器。额外的浮点单元寄存器如下：

• 八个浮点Result寄存器，RnH（其中n=0~7）

• 浮点Status寄存器(STF)

• 重复Block寄存器(RB)

        Tips：除RB寄存器外，所有浮点寄存器都采用shadowed技术。这种影子化技术可用于更高优先级任务的中断，以实现浮点寄存器的快速上下文保存和恢复。

快速整数除法单元(FINTDIV)

        C28x CPU的快速整数除法单元(Fast Integer Division, FINTDIV)独特地支持三种类型的整数除法（Truncated, Modulo, and Euclidean），这些整数除法具有不同的数据类型大小（16/16、32/16、32/32、64/32、64/64），采用无符号或有符号格式。

• C语言天然支持Truncated整数除法（/、% 算符）。

• Modulo除法和Euclidean除法是更高效的控制算法，并受C内在函数支持。

        所有三种类型的整数除法都会产生商和余数分量，具有可截断特性，并在最少的系统周期内执行（32/32除法为10个周期）。此外，C28x CPU的快速除法功能，独特地支持浮点32位（5个周期内）和64位（20个周期内）除法的快速执行，。

三角数学单元(TMU)

        三角函数加速器(trigonometric math unit, TMU)，利用现有的C28x+FPU增加指令，加速执行常见三角函数和下表中所列的算术运算，以此来扩展C28x+FPU的功能。

        TMU已添加指数指令IEXP2F32和对数指令LOG2F32，可支持计算浮点幂函数，用于C2000 Digital Control Library中的非线性比例积分微分控制(NLPID)组件。添加的这两条指令，可以将幂函数计算周期，从使用library emulation时的典型300个周期减少到不到10个周期。

        Tips：TMU对现有指令、流水线和内存总线架构均未做任何更改。所有TMU指令都使用现有的FPU寄存器集（R0H至R7H）来执行运算。

VCRC单元

        循环冗余校验(CRC)算法提供了一种简单的方法来验证大型数据块、通信数据包或代码段的数据完整性。C28x+VCRC可执行8 位、16位、24位和32位的CRC。例如，VCRC可以在10个系统周期内计算出10字节数据块的CRC。CRC Result寄存器包含当前CRC，每次执行CRC指令时，该CRC都会更新。

        以下是VCRC的CRC计算逻辑使用的CRC多项式：

• CRC8 多项式 = 0x07

• CRC16 多项式1 = 0x8005

• CRC16 多项式2 = 0x1021

• CRC24 多项式 = 0x5d6dcb

• CRC32 多项式1 = 0x04c11db7

• CRC32 多项式2 = 0x1edc6f41

        该模块可以在单个周期内为一个字节的数据计算CRC。CRC8、CRC16、CRC24和CRC32的CRC计算，是按字节完成的（而不是C28x内核计算CRC时读取完整的16位或32位数据），以便与各种标准规定的按字节计算要求保持一致。

        VCRC单元还允许用户提供自己多项式(1b-32b)来满足自定义CRC要求。使用自定义多项式时，CRC执行时间会增加到三个系统周期。

CPU总线

        CPU最大的作用就是寻址和读写数据。寻址就是ARAU（Address register arithmetic unit）要干的事情，即在Memory（包括RAM、ROM和寄存器）中找到当前想用的Address，比如program space(program counter PC指针)、data space和register space中的某个地址。读写数据就是在这个Address上提取Bytes或者放入Bytes。这些操作都需要通过CPU总线来完成，如下图所示：

        Address总线是传输Address的，比如program space的22bit address，data space的32bit address，register space的映射地址。

        Data总线是传输Bytes的，比如program space的程序指令，data space的变量值，register space的寄存器值。

        C28x的6条独立CPU总线，互相之间的工作关系，如下表所示：

        Tips：上述6条总线是独立的，所以可以同时运行，互不影响。但是PAB和DWDB这两个总线是复用的，比如Read program和Write program这两件事都需要用PAB总线，那么这两件事就不能同时执行，需要先执行一个然后再执行另一个。DWDB也同理。

指令流水线

        C28x每条指令的执行都要经过8个独立的阶段，形成一个指令流水线（pipeline）。在任何时刻，最多可以有8条指令处于运行状态，这8条指令都处于不同的运行阶段。如下图所示：

 

Fetch 1 (F1)：从Memory抓取指令的第一步，CPU在program address bus上发出指令所在的地址（22-bit）；

Fetch 2 (F2)：从Memory抓取指令的第二步，CPU在program read data bus上获取指令内容（32-bit）；

Decode 1 (D1)：指令解码第一步，识别和判定指令是否合法；

Decode 2 (D2)：指令解码第二步，加载到指令寄存器中，完成解码；

Read 1 (R1)：从Memory抓取Bytes的第一步，CPU在data read address bus上发出Bytes所在的地址（32-bit）；

Read 2 (R2)：从Memory抓取Bytes的第二步，CPU在data read data bus上获取Bytes内容（32-bit）；

Execute (E)：运行指令，CPU运行各种原始的multiplier、shifter、logic和ALU操作，把运算结果写入CPU的result寄存区；

Write (W)：向Memory中写入Bytes，CPU在data write address bus上发出Bytes所在的地址（32-bit），在data write data bus上发出Bytes内容（32-bit）。

        Tip1：指令不同阶段的读写可能会对同一位置进行操作，但流水线的保护机制会根据需要暂停某些指令，以确保对同一位置的读写按照编程顺序正确进行。

        Tip2：一旦指令到达Decode 2阶段，即使有中断发生，也会先把这条指令运行到最后阶段完成。

        Tip3：不同的指令会有不一样的执行过程，上述8个运行阶段不是一定都要运行，有的指令只需要运行其中的几个。

总结

        以上就是本人在研发中使用嵌入式处理器的C28x内核时，一些个人理解和分析的总结，主要介绍了C28x内核的工作原理，展示了具体的使用方法，并对比分析了它的特点和适用场景。

        后续还会分享另外几个最近解锁的嵌入式处理器新技能，欢迎评论区留言、点赞、收藏和关注，这些鼓励和支持都将成文本人持续分享的动力。

        另外，上述例程使用的Demo工程，可以到笔者的主页查找和下载。

参考资料

    TMS320F28003x Real-Time Microcontrollers datasheet.pdf

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