本文主要讨论DSP和51单片机之间通过HPI接口进行连接的设计方法,给出硬件连接以及软件编程方法。

TMS320C54xx是TI公司针对音频信号处理领域推出的一种定点DSP系列芯片,已经在很多语音信号处理系统中得到了广泛的应用。在这些系统中,通常包含DSP和单片机两个子系统。DSP系统作为从设备,完成采样、计算等功能;单片机系统作为主设备,完成交互界面的控制。主从设备之间也要以一定的方式接口,来进行数据通信。下面就介绍DSP和单片机之间的接口技术。

这里单片机选择的是MCS-51系列。51系列是一种很经典的单片机,20多年来一直久盛不衰。而且Intel通过授权51内核,出现很多第三方生产的51系列产品。这些产品一般都具有较高的时钟频率和较大的存储空间,而且还能运行嵌入式操作系统。这些都极大地提高了它的性能,扩大了它的应用范围。

DSP芯片中的HPI(主机接口)是为了满足DSP与其它的微处理器接口而专门设计的。它分为HPI-8和HPI-16,分别针对具有8位和16位数据线的单片机。每一种又分为标准型和增强型。两者的区别在于标准型只可以访问固定的地址空间,而增强型可以访问整个DSP的片内存储器。这里以增强型的HPI8为例来说明。

1 硬件设计

1.1 时序匹配

HPI8总共有18根信号线。其中数据线8根(HD0~ HD7),其余10根都是控制线,如表1所列。(详细情况请查看参考文献[1]。)

表1 HPI接口信号及功能

① ：在数据线和地址线复用的MCU中,与ALE信号连接,在下降沿锁存HBIL、HCNTL0/1、HR/W,因为这些信号通常与地址线连接。如果MCU的数据线和地址线没有复用,则应该接高电平。

② ：数据传输的时序控制。时序见图1,即下降沿传输开始,上升沿传输结束。另外如果不使用(即接高电平),也可以配合对HBIL、HCNTL0/1、HR/W进行锁存。

图1 HPI数据传输时序

③ HCNTL0/1：选择HPI内部寄存器,如表2所列。

表2 HPI内部寄存器的选择方式

1.2 电平匹配

54xxDSP的外部I/O引脚用的是3.3V的逻辑电平,而大部分51单片机用的是5V的逻辑电平。前者输出高电平,最小值为2.4V;后者输入高电平,最小值为2.0V。所以前者的输出可以直接接到后者的输入。但是前者允许输入高电平最大值为3.6V,而后者的输出高电平一般都在4.5V以上。所以前者的输入和后者的输出不能直接连接,需要做电平转换。如果引脚数量少,可以直接用三极管和电阻来转换。这里由于引脚较多,所以选用TI 74LVC16245A芯片来进行电平转换。

74LVC16245A是TI公司的一种16位双向总线收发器。它可以接收高达5.5V的高电平,而输出的高电平可以达到3.3V左右,内部包括16路如图2所示的结构单元。

图2 74LVC16245A内部结构单元

图2中G为使能端,低电平有效;DIR为方向控制端,高电平A→B,低电平B→A。另外要注意,74LVC 16245A的操作电压引脚VCC应该接3.3V。

整个硬件连接如图3所示。

图3 整个系统的硬件连接

2 软件设计

HPI的数据传输分为两部分：外部传输和内部传输。外部传输是指主机和HPI寄存器之间的传输,由主机发出指令完成。内部传输是指HPI寄存器和DSP内部RAM之间的传输,由DSP内部的DMA控制器自动完成。主机在进行外部传输时,要先检查内部传输是否完成,这是通过检测HRDY信号实现的。外部传输操作的一般步骤是：

◆ 检查HRDY信号的电平。为高,表示可以进行传输;为低,表示DSP正在进行内部传输,此时不能进行外部传输。

◆ 主机发出指令,设置HCNTL0、HCNTL1、HBIL、HR/W信号的状态,以确定读或写的寄存器以及字节的选择。

◆ 主机发出时序控制信号,按照图1所示的时序进行操作,从而完成一次外部传输。

编程时还要注意以下问题。

① 由于DSP的数据是16位,而单片机的数据是8位,所以单片机要分两次将数据传给DSP,即将16位的数据分成两个字节来传输。这时,可以通过控制HPI口的HBIL信号来指定此次传输的是第1个还是第2个字节。另外,还要通过HPI的控制寄存器(HPIC)中的BOB位来指定第1个字节作为高8位还是低8位,所以主机在访问HPI时,应首先对HPIC进行初始化,并注意对BOB位的设置。HPIC的各位设置如下：

② 主机对地址寄存器(HPIA)的写操作会初始化一次内部传输。当主机通过两次对HPIA的写操作后,HPIA就得到了主机要访问的地址。这时内部的DMA控制器就会根据这个地址将相应单元的内容读到HPI内部的数据锁存器中,再对HPID进行两次读操作就可以将数据读出。如果将HPIA设置成自动递增模式,就会在数据传输的同时完成HPIA加1,于是又启动了一次内部传输。这样有利于数据的连续转移。

③ 注意设置HPIC中的XHPIA位。XHPIA＝1时,表示对DSP的7位扩展地址进行操作;XHPIA＝0时,表示对DSP的低16位地址进行操作。由于DSP复位后,XHIPA的状态是不确定的,所以必须首先对XHPIA进行设置。

④ 主机和DSP可以互相中断。主机通过向HPIC中的位DSPINT写入1来中断DSP。该位总是被读出为0,而且DSP对该位的写操作是无用的。而DSP要中断主机时,向HPIC中的位HINT写入1,这时HPI的接口引脚被置低,从而使主机产生中断。该位总是读出为1,主机可以对该位写1来清除中断,这时引脚就恢复高电平。

下面给出一段程序实例：单片机将DSP内部RAM 1000H单元的内容读出。硬件按照图1所示连接。

;设置HPIC, XHPIA＝1

SETB P1.1

MOV DPTR, #0000H

MOV A, #18H

MOVX @DPTR, A

MOV DPTR, #0004H

MOV A, #18H

MOVX @DPTR, A ;完成初始化

MOV DPTR, #0002H

MOV A, #00H

MOVX @DTPR, A MOV DPTR, #0006H

MOV A, #00H

MOVX @DPTR, A ;置扩展地址为0

;设置HPIC,XHIPA＝0

MOV DPTR, #0000H

MOV A, #08H

MOVX @DPTR, A

MOV DPTR, #0004H

MOV A, #08H

MOVX @DPTR, A

MOV DPTR, #0002H

MOV A, #10H

MOVX @DTPR, A ;写地址高8位 MOV DPTR, #0006H

MOV A, #00H

MOVX @DPTR, A ;写地址低8位

WAIT： JNB P1.0, WAIT ;判断内部传输是否完成

CLRB P1.1

MOV DPTR, #000BH

MOVX A, @DPTR ;读高8位

MOV B, A

MOV DPTR, #000FH

MOVX A, @DPTR ;读低8位

;读操作完成

3 总结

当然DSP与单片机之间还有许多其它的连接方式,例如利用双口RAM,或者是通过串口,但是它们都占用DSP的处理时间,在要求苛刻的场合可能会影响到系统的实时性。而HPI接口是通过DSP片内的DMA控制器来访问片内存储器的,不需要DSP的干预。可以说,HPI接口是DSP的一个“后门”,单片机通过这个“后门”可以访问到DSP的片内存储器。只有当HPI接口和DSP同时对同一地址进行访问时,由于HPI具有访问优先权,这时DSP的执行会被延迟一个周期,而这种情况对系统实时性的影响是非常小的。