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高性能数字信号处理器TMS320LF2407A及应用分析
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2017-11-01
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1 引言
数字信号处理器（DSP）已经发展了20多年，最初仅在信号处理领域内应用。近年来， 随着半导体技术的发展，其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。
TMS320LF2407A是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体，在数字控制系统中得以广泛应用 ［1］。本文介绍其体系结构、功能特性及其在控制领域中的应用，为数字控制系统的设计提供参考。
2 体系结构和功能特性
2.1 系统组成
TMS320LF2407A系统组成包括：40MHz、40MIPS的低电压3.3V CPU、片内存储器、事件管理器模块、片内集成外围设备［2］。其体系结构框图如图1所示。
2.2 CPU及总线结构
TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定点低功耗内核。体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算。其中央算术逻辑单元（CALU）是一个独立的算术单元，它包括一个32位算术逻辑单元（ALU）、一个32位累加器、一个16×16位乘法器（MUL）和一个16位桶形移位器，同时乘法器和累加器内部各包含一个输出移位器。完全独立于CALU的辅助寄存器单元（ARAU）包含八个16位辅助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同时执行八个辅助寄存器（AR7至AR0）上的算术运算。两个状态寄存器ST0 和ST1用于实现CPU各种状态的保存。
TMS320LF2407A采用增强的哈佛结构，芯片内部具有六条16位总线，即程序地址总线（PAB）、数据读地址总线（DRAB）、数据写地址总线（DWAB）、程序读总线（PRDB）、数据读总线（DRDB）、数据写总线（DWEB），其程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此CPU的读/写可在同一周期内进行，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法等复杂控制算法得以实现。
2.3 存储器配置
TMS320LF2407A地址映象被组织为三个可独立选择的空间：程序存储器（64K）、数据存储器（64K）、输入/输出（I/O）空间（64K）。这些空间提供了共192K字的地址范围。
其片内存储器资源包括：544字×16位的双端口数据/程序DARAM、2K字×16位的单端口数据/程序SARAM、片内32K×16位的Flash程序存储器、256字×16位片上Boot ROM、片上Flash/ROM具有可编程加密特性。
TMS320LF2407A的指令集有三种基本的存储器寻址方式：立即寻址方式、直接寻址方式、间接寻址方式。
数字信号处理器（DSP）已经发展了20多年，最初仅在信号处理领域内应用。近年来， 随着半导体技术的发展，其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。
TMS320LF2407A是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体，在数字控制系统中得以广泛应用 ［1］。本文介绍其体系结构、功能特性及其在控制领域中的应用，为数字控制系统的设计提供参考。
2 体系结构和功能特性
2.1 系统组成
TMS320LF2407A系统组成包括：40MHz、40MIPS的低电压3.3V CPU、片内存储器、事件管理器模块、片内集成外围设备［2］。其体系结构框图如图1所示。
2.2 CPU及总线结构
TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定点低功耗内核。体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算。其中央算术逻辑单元（CALU）是一个独立的算术单元，它包括一个32位算术逻辑单元（ALU）、一个32位累加器、一个16×16位乘法器（MUL）和一个16位桶形移位器，同时乘法器和累加器内部各包含一个输出移位器。完全独立于CALU的辅助寄存器单元（ARAU）包含八个16位辅助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同时执行八个辅助寄存器（AR7至AR0）上的算术运算。两个状态寄存器ST0 和ST1用于实现CPU各种状态的保存。
TMS320LF2407A采用增强的哈佛结构，芯片内部具有六条16位总线，即程序地址总线（PAB）、数据读地址总线（DRAB）、数据写地址总线（DWAB）、程序读总线（PRDB）、数据读总线（DRDB）、数据写总线（DWEB），其程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此CPU的读/写可在同一周期内进行，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法等复杂控制算法得以实现。
2.3 存储器配置
TMS320LF2407A地址映象被组织为三个可独立选择的空间：程序存储器（64K）、数据存储器（64K）、输入/输出（I/O）空间（64K）。这些空间提供了共192K字的地址范围。
其片内存储器资源包括：544字×16位的双端口数据/程序DARAM、2K字×16位的单端口数据/程序SARAM、片内32K×16位的Flash程序存储器、256字×16位片上Boot ROM、片上Flash/ROM具有可编程加密特性。
TMS320LF2407A的指令集有三种基本的存储器寻址方式：立即寻址方式、直接寻址方式、间接寻址方式。
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