基于DSP的交流伺服控制系统

嵌入式处理器的分类
• 微控制器(MCU：Micro-Controller Unit) –即单片机。早期比较流行的处理器，将整个计算机 系统集成到一个芯片中，内部以某种微处理器为核 心，并对ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器/计 数器、I/O、串行口、A/D转换、D/A转换等必要外 设加以集成。 –Intel 8051 • 微处理器(MPU：Micro-Processor Unit) –必须在电路板上完成嵌入式系统功能。将MPU和其 必要外设装配在一起的电路板称为单板机。 –ARM系列，MIPS
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GPP使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片内 的高速缓存里，其程序员并不加以指定（也可能根本不知 道）。与此相反，DSP使用多个片内存储器和多组总线来保 证每个指令周期内存储器的多次访问。在使用DSP时，程序 员要明确地控制哪些数据和指令要存储在片内存储器中。程 序员在写程序时，必须保证处理器能够有效地使用其双总线。 • 此外，DSP处理器几乎都不具备数据高速缓存。这是因 为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理器对每个数 据样本做计算后，就丢弃了，几乎不再重复使用。
7） 开发工具的要求
因为DSP应用要求高度优化的代码，大多数DSP厂商都提 供一些开发工具，以帮助程序员完成其优化工作。例如，大 多数厂商都提供处理器的仿真工具，以准确地仿真每个指令 周期内处理器的活动。无论对于确保实时操作还是代码的优 化，这些都是很有用的工具。 • GPP厂商通常并不提供这样的工具，主要是因为GPP程序 员通常并不需要详细到这一层的信息。GPP缺乏精确到指令周 期的仿真工具，是DSP应用开发者所面临的的大问题：由于几 乎不可能预测高性能GPP对于给定任务所需要的周期数，从而 无法说明如何去改善代码的性能。
嵌入式系统的基本组成
1、DSP与MCU的比较 Single Chip Computer/ Micro Controller Unit（MCU）
• 采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二而一 • 除通用CPU所具有的ALU和CU，还有存储器（RAM/ROM） 寄存器，时钟，计数器，定时器，串/并口，有的还有 A/D，D/A • INTEL MCS/48/51/96（98） • MOP芯片的发展
• 世界上第一个单片 DSP 芯片：1978年 AMI公司发布的 S2811（内部都没有单周期乘法器）。1980 年，日本 NEC 公司：µP D7720是第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片。 • 最成功的DSP 芯片：TI 公司在1982年成功推出其第一 代 DSP 芯片 TMS32010系列。第二代DSP芯片 TMS32020，第三代DSP芯片TMS320C30，第四代DSP 芯片TMS320C40/C44，第五代 DSP 芯片 TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改进型 TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一体的高性能DSP 芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片 TMS320C62X/C67X等。
2） 存储器结构
传统上，GPP使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中， 只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一个数 据总线）连接到处理器核。通常，做一次乘法会发生4次存储 器访问，用掉至少四个指令周期。 • 大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分 别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核，允许 同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍， 更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下， DSP得以实现单周期的MAC指令。 • 还有一个问题，即现在典型的高性能GPP实际上已包含两 个片内高速缓存，一个是数据，一个是指令，它们直接连接 到处理器核，以加快运行时的访问速度。从物理上说，这种 片内的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结构的一样了。然 而从逻辑上说，两者还是有重要的区别。
采用冯.诺依曼结构的处理器
采用哈佛结构的DSP处理器
1） 对密集的乘法运算的支持
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GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些 现代的GPP，也要求多个指令周期来做一次乘法。而 DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。DSP处 理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累 加器寄存器通常比其他寄存器宽，增加称为结果bits 的额外bits来避免溢出。 同时，为了充分体现专门的乘法-累加硬件的好处， 几乎所有的DSP的指令集都包含有显式的MAC指令。
6） 定点DSP指令集 定点DSP DSP指令集
• 定点DSP指令集是按两个目标来设计的： • 使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作，从而 提高每个指令周期的计算效率。 • 将存贮DSP程序的存储器空间减到最小（由于存储器对 整个系统的成本影响甚大，该问题在对成本敏感的DSP 应用中尤为重要）。 • 为了实现这些目标，DSP处理器的指令集通常都允许程 序员在一个指令内说明若干个并行的操作。例如，在 一条指令包含了MAC操作，即同时的一个或两个数据移 动。在典型的例子里，一条指令就包含了计算FIR滤波 器的一节所需要的所有操作。这种高效率付出的代价 是，其指令集既不直观，也不容易使用（与GPP的指令 集相比）。
DSP
• 采用哈佛结构，程序和数据分开存储 • 采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT的 专门优化
2、DSP特点
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DSP运动控制系统 7.1 DSP运动控制系统 7.2 TI TMS320C2xxx 7.3 TMS320C2xxx交流伺服系统 TMS320C2xxx交流伺服系统
DSP运动控制系统 7.1 DSP运动控制系统
目前， 目前，运动控制系统或电动机控制系统的实现方法主要有 以下几种： 以下几种： (1)以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统 以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统。 (1)以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统。 (2)以微控制器为核心的运动控制系统 以微控制器为核心的运动控制系统。 (2)以微控制器为核心的运动控制系统。 (3)在通用计算机上用软件实现的运动控制系统 在通用计算机上用软件实现的运动控制系统。 (3)在通用计算机上用软件实现的运动控制系统。 (4)利用专用芯片实现的运动控制系统 利用专用芯片实现的运动控制系统。 (4)利用专用芯片实现的运动控制系统。 (5)用FPGA／CPLD等可编程逻辑器件实现的运动控制系统 等可编程逻辑器件实现的运动控制系统。 (5)用FPGA／CPLD等可编程逻辑器件实现的运动控制系统。 (6)以可编程DSP控制器为核心构成的运动控制系统 以可编程DSP控制器为核心构成的运动控制系统。 (6)以可编程DSP控制器为核心构成的运动控制系统。
• 数字信号处理器(DSP: Digital Signal Processor) –对系统结构和指令进行特殊设计，使其适合于执行 DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也快。 –TI TMS320C30 • 片上系统(System-on-Chip, SoC) –将重要处理器的内核和各种外围的芯片器件整合在 一起，进一步降低功耗。 –Intel PCA架构；PXA 255
• Motorola 公 司 1986 年 推 出 了 定 点 处 理 器 MC56001 。 1990年，推出了与IEEE 浮点格式兼容的浮点 DSP 芯片 MC96002。 • 美国模拟器件公司（Analog Devices，简称AD）在DSP 芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具 有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有 ADSP2101/2103/2105、ASDP2111/2115、 ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181，浮点DSP 芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062等。
• TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即： TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、 TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、 TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。TI公司 DSP市场份额占全世界份额近 50％。 • 第一个采用CMOS工艺的浮点DSP： Hitachi 公司于 1982年推出。1983 年 Fujitsu 公司推出的MB8764，其 指令周期为 120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞 吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能浮点DSP 芯片应是 AT&T 公司于1984 年推出的DSP32。
3） 定点计算
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大多数DSP使用定点计算，而不是使用浮点。虽 然DSP的应用必须十分注意数字的精确，用浮点来做应 该容易的多，但是对DSP来说，廉价也是非常重要的。 定点机器比起相应的浮点机器来要便宜（而且更快）。 为了不使用浮点机器而又保证数字的准确，DSP处理器 在指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。
TI公司DSP芯片
C2000系列 系列DSP 系列
子系列 C2xx子系列：16位定点DSP、20MIPS 代表器件：TMS320F206PZ C24x子系列：16位定点DSP、20MIPS 代表器件：TMS320F240 LF240x子系列：16位定点DSP、40MIPS 代表器件：TMS320LF2407 • F28x子系列：32位定点DSP、150MIPS 代表器件：TMS320F2812、TMS320F2810
4） 专门的寻址方式
• DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通 常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块 （循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、 位倒序寻址（对FFT很有用）。这些非常专门的寻址模 式在GPP中是不常使用的，只有用软件来实现。