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30000字硕士毕业论文嵌入式数字信号处理器中直接存储器存取的设计与实现

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:设计,数据,寄存器
论文概述:

本论文针对X-DSP的DMA展开研究,采用全新的设计方法,设计并完成了一款高性能的DMA,并进行了系统级的模拟和验证,结果正确。

论文正文:

  第一章绪论        数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,简称DSP)是一种用于实时数字信号处理的专用微处理器,它以计算机和数字信号处理理论为基础,随着集成电路技术的发展而更新换代[i1。本文主要针对某数字信号处理器—X-DSP片内外设中的直接存储访问(DirectMemoryAccess,简称DMA)部件进行了深入的研究和分析,并最终完成了DMA部件的设计和实现。1.1课题的研究背景随着集成电路和数字处理技术的飞速发展,DSP应运而生并得到迅速发展。在过去的二十多年时间里,DSP己经渗透到通信、生活、经济和军事等各个领域,得到极为广泛的应用,逐渐成为各类电子产品更新换代的技术基础f210从上世纪90年代后期开始,我国芯片需求量逐年增长,其中有80%的份额被德州仪器、摩托罗拉和模拟器件等国外巨头所垄断[。虽然我国每年微电子产业都以大于30%的增长率快速发展,但就总体而言,这个产业仍处起步阶段,与国际先进水平相比差距甚远。产量小、产品技术低,设计能力、制造技术、产品和市场开发都缺乏自主能力,在高性能DSP领域的研究几乎是一片空白[#]。核心技术受制于人不仅影响到经济的发展,而且严重威胁到国家的安全。因此,研制具有自主知识产权的DSP己刻不容缓。正是在此背景下,我们项目组根据某型谱项目的研制需求,进行了X-DSP芯片的研制。X-DSP的研制顺应了我国科技发展的需要,解除了国外对我国在DSP技术上的制约,因此研制和开发X-DSP具有非常重要的意义。        X-DSP芯片是一款16位定点低功耗的数字信号处理器,它采用改进的哈佛结构((1条程序总线、3条数据总线、4条地址总线),具有高度的并行性,同时X-DSP集成了丰富的片内外设,如直接存储访问控制器(DMA)、时钟产生器、主机接口、3个多通道缓冲串口、定时器等。本论文课题是该项目下的一个子课题—DMA的设计与实现。1.2DMA的相关研究DMA的全称是DirectMemoryAccess,即直接存储器存取,用于高速外设的成组数据传送。DMA能完成处理器片内存储器之间或存储器和外围设备之间的数据交换,不需要CPU的介入。DMA方式与编程I/0及中断驱动I/O数据传输方式相比,不仅可以加快存储器之间大数据量的交换,明显减少CPU额外开销[3]。即可以把CPU从大数据量交换,分散数据收集,慢速设备的访问中解放出来,从而提高DSP的性能[[s]0目前DMA技术己经朝着数据交换的智能化和通道化方向发展[[}]oDMA可以编程设置多种功能,而且可以按照总线协议进行数据交换。采用链表形式,完成多任务数据传输是DMA智能化的一种表现。任务链表存放在存储器中,DMA从存储器中读取任务链表,根据链表中的内容完成相应的操作。DMA也可以操作链表,实现和链表生成者的交互。采用链表形式,一个DMA就可以自动地为多个有序设备服务。DMA通道化技术就是让DMA为某个或某些特定的设备服务,提高这些设备(往往是高速串行设备,存储器)的智能化,减少CPU的干涉。在大型计算机系统中,为了辅助CPU对大量外围设备进行管理。        普遍采用了I/O通道技术。UO通道技术是DMA概念的扩展。Il0通道具备执行Il0指令来完成对I/O操作控制的能力。由通道技术发展起来的通道处理机可以看作是一台能够执行有限输入输出指令,并且能被多台外围设备共享的小型DMA专用处理机。增强型直接内存存取((EDMA)是基于DMA技术而产生的一种用于快速数据交换的重要技术,具有独立于CPU的后台批量数据传输的能力,能够满足实时图像处理中高速数据传输的要求[f8]。灵活使用EDMA可以大大提高数据传输效率。EDMA控制器和DMA在结构上有很大的不同。其增强之处包括:提供了更多的通道;通道间的优先级可以设置;支持不同结构数据传输的链接。EDMA控制器由以下几部分组成:事件和中断处理寄存器;事件编码器;参数RA.M;硬件地址产生。EDMA的特点决定了其适合图像处理的功能。由于图像处理的原始数据量很大.同时图像处理中也会产生同等量的中间数据.对于片内存储资源有限的高速DSP来说,一般需要借用外部存储空间。为了提高系统的实时处理能力.可以将数据在不同存储空间转移的任务交给EDMA来完成,而CPU只用于数据的计算。同时,EDMA对数据重排功能可以优化图像数据在内存中的存储,这不仅可以提高内部存储空间的利用效率.而且可以提高数据的传输速率。虽然对图像数据的传输也可由软件实现,但将消耗大量的CPU时钟周期。使DSP的高速性能难以发挥。而由EDMA来完成同样的工作几乎不占用CPU的时钟周期。大批量的图像数据传输和复杂算法的处理一直是高速数字图像处理器的速度瓶颈,利用DSP的EDMA功能可以在不中断信号处理器算法处理工作的同时完成图像数据的搬移,在有效地解决了大批量图像数据传输速度瓶颈的同时,又能让DSP的处理器核专门从事算法处理工作,极大地提高了系统的并行性能[0DSP面向数字信号处理,需要实时处理大量数据,为了发挥DSP核心运算单  参考文献 [1]William Stallings著,张昆藏等译.计算机组织与结构:性能设计.清华大学出版社,2000.9:3 8-40.夏宇闻,复杂数字电路与系统的Verilog HDL设计技术,北京:北京航空航天大学,1998.9:136-137.[3]Texas Instruments Incorporated,梁晓雯、裴小平、李玉虎,TMS320C54X系列DSP的CPU与外设,清华大学出版社,2006.9:164-169.张晨曦、王志英、张春元、戴葵、朱海滨,计算机体系结构,高等教育出版社,2006.6:16-18..T. M. Rabeay,周润德等.数字集成电路一电路、系统与设计(第二版).北京:电子工业出版社,2004.8:190-193.  摘要 10-11 ABSTRACT 11 第一章 绪论 12-16     1.1 课题的研究背景 12     1.2 DMA的相关研究 12-14     1.3 本文的主要内容 14     1.4 论文的组织结构 14-16 第二章 DMA总体设计 16-25     2.1 X-DSP简介 16-17     2.2 DMA的特点 17     2.3 DMA实现的主要功能 17-18         2.3.1 传输数据 18         2.3.2 DMA控制器对主机接口(HPI8)的支持 18     2.4 DMA总体结构 18-20     2.5 DMA的接口 20-21     2.6 DMA的主要模块的划分 21-22     2.7 DMA的工作流程 22-25 第三章 DMA主要功能模块的详细设计 25-51     3.1 存储器映射寄存器模块的设计 25-32         3.1.1 子地址寄存器的设计 25-27         3.1.2 寄存器子寻址模块的设计 27-28         3.1.3 通道优先级和使能控制器的设计 28-32     3.2 子寻址寄存器模块的设计 32-46         3.2.1 通道模块的设计 32-45         3.2.2 全局寄存器模块的设计 45-46     3.3 DMA仲裁器的设计 46-48     3.4 低功耗设计 48-51         3.4.1 节电模式对 DMA的影响 48         3.4.2 时钟管理 48-49         3.4.3 寄存器的低功耗设计 49-51 第四章 DMA的验证与分析 51-66     4.1 模拟验证方案 51-53     4.2 验证内容与结果 53-66         4.2.1 多帧模式 54-62         4.2.2 ABU模式 62-63         4.2.3 DMA控制器对增强型主机接口HPI8的支持 63-64         4.2.4 节电模式下的DMA的操作 64-66 第五章 DMA的版图设计与验证 66-74     5.1 单元版图设计 66-68     5.2 布局规划 68-70     5.3 全局版图设计 70-71     5.4 寄生参数的提取与验证 71-74 第六章 结束语 74-76     6.1 全文工作总结 74     6.2 未来工作展望 74-76 致谢 76-77