dsPIC30F6010单片机的原理及应用
摘要：Microchip公司推出的dsPIC30F系列单片机是一种集16位单片机控制特点和DSP功能于一身的新型芯片。文中介绍了dsPIC30F6010的基本特点、硬件结构和指令特点,分析了dsPIC30F6010在编程开发应用上的技术特点，并给出了一段具体的编程示例。
关键词：DSP；dsPIC30F6010；PIC单片机
１ 前言
随着电子技术的发展以及集成电路规模的不断扩大，工业等各应用领域对于核心芯片的要求越来越苛刻。因而，计算机芯片也朝着高速化、专业化、模块化、功能化、低功耗、低电压工作等方向不断地发展、更新。
Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ系列单片机以其内置Ｆｌａｓｈ以及精简指令集等技术特点成为中低档８位单片机的主流产品，但是在一些复杂系统应用中，它仍存在一些缺陷和不足。为此，Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司新推出了ｄｓＰＩＣ３０Ｆ系列１６位单片机。它是一种具有单片机和ＤＳＰ综合功能的１６位ＣＰＵ，不但保留了单片机的基本性能、丰富了外围模块，还兼具ＤＳＰ的高速运算能力，是嵌入式系统设计的最佳解决方案之一。由于集多种功能于单一芯片，从而大大节省了电路板空间。目前开发的ｄｓＰＩＣ３０Ｆ产品主要分为通用系列、电机控制和电源变换系列、传感器系列等。其中ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０以其丰富的外围模块、Ｉ／Ｏ接口、可支持多种电机控制等特点，广泛应用于电机控制、开关电源控制等领域。该单片机在许多应用中优于３２位控制器。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的主要特点有：
●Ｆｌａｓｈ程序空间容量大，外围部件丰富；
●强大的中断能力，可灵活处理中断；
●编程开发能力强大，可支持Ｃ编译，并可方便地与ＰＩＣ系列单片机结合使用；
●强大的ＤＳＰ演算能力，与其它ＤＳＰ的指令集相比，ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０只有８４个基本指令且多为单周期指令，从而大大简化了编程效率；
●内嵌ＳＰＩ、ＵＡＲＴ、ＣＡＮ等多种通讯模块，且具有适合于电机控制的８通道ＰＷＭ以及正交编码接口器；
●内含１０位高速Ａ／Ｄ和１６位深度结果缓冲区，有多种数据方式；可在睡眠方式下进行转换；同时具有多种时钟模式；
●宽范围工作电压（２．５Ｖ～５．５Ｖ），大大优于其它单片机的５Ｖ工作电压和ＤＳＰ的３．３Ｖ工作电压。
２ ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的结构特点
２．１ ＣＰＵ结构
ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０采用改进型哈佛结构，ＣＰＵ核具有２４位宽指令字。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的硬件结构框图如图１所示。它的ＰＣ指针为２３位宽（最低位恒为“０”），可寻址４Ｍ×２４位程序存储器空间。除了跳转、表格等指令外，所有的指令均在一个周期内完成。指令采用流水线操作方式，分为ＭＣＵ和ＭＡＣ等级指令，适合Ｃ编译。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０拥有１６个１６位工作寄存器（Ｗ０～Ｗ１５），可作为数据、地址或地址偏移量寄存器，其中Ｗ１５还可作为ＣＡＬＬ指令或中断的软件堆栈指针。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０共有５４个中断源和８个不可屏蔽陷阱，每个中断源有７个中断优先级，可通过状态寄存器进行软件编写，故可灵活控制中断，中断控制器可支持５个外部中断（ＩＮＴ０～ＩＮＴ４）请求。
ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０与ＰＩＣ单片机最大的区别在于其内嵌一个ＤＳＰ高速引擎，从而提高了ＣＰＵ核的运算能力。ＤＳＰ引擎包括一个１７×１７乘法器、一个４０位ＡＧＵ、两个４０位饱和累加器、一个４０位双向桶形移位器。ＤＳＰ引擎的引入可以方便单片机快速、高效地进行一些数据处理，以提高整个系统的实时性。
２．２ 数据ＲＡＭ结构
ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的数据存储器为１６位宽，共３２Ｋ字。图２是整个数据存储器映射图，其中特殊功能寄存器共２ｋＢ，地址为０ｘ００００～０ｘ０７ＦＦ，主要包括ＣＰＵ和外围设备的控制或状态寄存器。ＲＡＭ地址从０ｘ８０００开始，分为Ｘ数据存储器和Ｙ数据存储器，可分开作为２个单独的数据空间（相对于一些ＤＳＰ指令而言），也可合并作为线性数据空间（相对于ＭＣＵ指令而言）。每个存储器都有自己的ＡＧＵ地址发生单元。双源ＤＳＰ操作的ＭＡＣ等级指令可对Ｘ和Ｙ数据存储器进行操作，从而把数据空间分成两部分以分别存放两个操作数。ＭＣＵ指令只能通过Ｘ存储器的ＡＧＵ来寻址整个寄存器的数据空间，以便以Ｗ寄存器作为地址指针来进行读／写操作。数据存储器顶部的３２ｋＢ数据可任意映射到１６ｋ字程序空间中。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的大部分指令都能够进行数据存储器的读／写、工作寄存器（数据）读、程序存储器读３个操作。对于ＤＳＰ指令，用Ｗ８和Ｗ９可执行Ｘ存储器空间内的储存器读写，若指向Ｙ存储器，则返回 “０”，如果指向未执行的地址，将产生错误的地址捕捉。同理，Ｗ１０和Ｗ１１作为Ｙ存储器的地址指针。８ｋＢ的近似数据空间可以直接通过工作寄存器指令形成的１３位绝对地址来存取。
２．３ 程序存储器结构
图３所示的程序存储器映射图分为两部分：用户程序空间和用户配置空间。用户程序空间包括复位矢量、中断矢量表、程序存储器和数据ＥＥＰＲＯＭ存储器；配置空间包括一些设备配置寄存器以及器件的ＩＤ位等。ＰＣ指针最低位恒为“０”，增量为２。
访问４Ｍ×２４位程序存储器的方法有三种，第一种是通过２３位ＰＣ指针；第二种是通过特殊的表格读／写指令（ＴＢＬＲＤＬ、ＴＢＬＷＴＬ、ＴＢＬＲＤＨ和ＴＢＬＷＴＨ），第三种是通过ＰＳＶ操作模式（程序空间可见）把１６ｋ字程序空间页面映射到数据存储器地址空间的高３２ｋＢ。
ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的外围模块比ＰＩＣ丰富许多。首先，通信模式增加了ＣＡＮ模块接口，其它通信模块的数量也增加了，因而可适应大系统的设计需求。其次，ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０有５个１６位ｔｉｍｅｒ模块，其中ＴＭＲ２和ＴＭＲ３、ＴＭＲ４和ＴＭＲ５可以分别组合成３２位定时器，程序员可以选择多种工作方式，例如１６位／３２位定时器、３２位同步计时器、门控等模式。此外，ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０还增加了电机控制ＰＷＭ模块以及积分编码模块。
３ 指令特点
ｄｓＰＩＣ３０Ｆ系列单片机在增加了ＤＳＰ功能后，其指令也只有８４条，因此，和其它ＤＳＰ相比，可大大简化编程难度。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０在指令上的主要特点有：
（１）ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的指令格式有别于ＰＩＣ单片机，它的格式为： 操作符 源操作数 目的操作数，此外还增加了许多三操作数指令；
（２）ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０为１６位ＣＰＵ，因而在指令操作上有字操作和字节操作两种模式，可实现８位和１６位操作；
（３）ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０除了保留有ＰＩＣ单片机的大部分指令功能外，还增加了许多传送、数学运算、逻辑运算指令；相比ＰＩＣ单片机，它的最大优点是增加了乘除法指令，因而可大大减少编程难度并优化程序。为了适应字操作，相应增加了减２、加２等指令；
（４）增加了相应的ＤＳＰ功能指令，如ＤＳＰ指令、程序流指令等；
（５）由于有多种堆栈形式，因而也就增加了不同形式的堆栈指令。
４ 编程示例
ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０可支持Ｃ编译、汇编以及混合编译等多种模式，用户可根据自身能力选择不同的编程方式。
４．１ Ｃ编译
ｄｓＰＩＣ３０Ｆ６０１０的编程模式基本上和Ｃ语言及其它单片机或ＤＳＰ的Ｃ编译相似，下面以Ａ／Ｄ采样为例给出其编程应用，设计时需要注意的是：
（１）寄存器必须大写；
（２） 直接对某些位进行操作时,可在该寄存器后加ｂｉｔｓ，如ＡＤＣＯＮ１ｂｉｔｓ．ＡＤＯＮ＝１；
（３） 牢记先定义后使用的原则,调用的数学函数必须由编译软件库函数所支持。
ｉｎｔ ｍａｉｎ (ｖｏｉｄ) ;主程序
{ ｐｏｒｔｉｎｉｔｉａｌ();
ａｄｉｎｉｔｉａｌ();
ＡＤＣＯＮ１ｂｉｔｓ．ＡＤＯＮ＝１;
ＡＤＣＯＮ１ｂｉｔｓ．ＳＡＭＰ＝１;
ｄｅｌａｙ();
ＡＤＣＯＮ１ｂｉｔｓ．ＳＡＭＰ＝０;
… … … …
}
ｖｏｉｄ ｐｏｒｔｉｎｉｔｉａｌ() ;初始化Ｉ／Ｏ口
{
ＴＲＩＳＥ＝０ｘ００００;
ＰＯＲＴＥ＝０ｘ００００;
}
ｖｏｉｄ ａｄｉｎｉｔｉａｌ() ;ＡＤ初始化子程序
{ ＡＤＣＯＮ１＝０ｘ２２０８;
ＡＤＣＯＮ２＝０ｘ００００;
ＡＤＣＯＮ３＝０ｘ００００;
ＡＤＣＨＳ＝０ｘ００００;
ＡＤＣＳＳＬ＝０ｘ００００;
ＡＤＰＣＦＧ＝０ｘ００００;
ＩＦＳ０ｂｉｔｓ．ＡＤＩＦ＝０;
ＩＥＣ０ｂｉｔｓ．ＡＤＩＥ＝１;
}
ｖｏｉｄ ｄｅｌａｙ() ;延时子程序
{
ｆｏｒ (ｊ＝１０００;－－ｊ;) ｃｏｎｔｉｎｕｅ
}
４．２ 混编技术
在Ｃ语言中调用汇编语言时，只要在Ｃ汇编中定义一个ｅｘｔｅｒｎ型变量或函数并在其前面加一前缀（ ）即可。如在Ｃ程序中：
… … … …
ｅｘｔｅｒｎ ｖｏｉｄ ｍｏｄｕｌｏ(ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ＊, ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ＊, ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ)；声明函数类型
… … … …
ｉｎｔ ｍａｉｎ (ｖｏｉｄ)
{… … … …
ｍｏｄｕｌｏ( ａｒｒａｙ１, ａｒｒａｙ２, ＰＲＯＤＬＥＮ－１);在Ｃ程序中调用
… … … …
}
在汇编中调用：
．ｇｌｏｂａｌ_ｍｏｄｕｌｏ ；定义全局变量
_ｍｏｄｕｌｏ：
… … … …
．ｅｎｄ
５ 结束语
在某些应用场合，综合了１６位单片机和ＤＳＰ功能的ｄｓＰＩＣ３０Ｆ器件要大大优于３２位单片机，而且可降低成本，同时，Ｃ代码效率也降低了对存储器的需求，从而缓解了１６位单片机和低端数字信号处理器ＤＳＰ存在的性能差。由于它本身的ＤＳＰ功能大大提高了运算和响应能力，因而提高了系统的实时性，可完全适应现代工业控制技术发展的要求。丰富的外围模块以及Ｉ／Ｏ设备，必然使得ｄｓＰＩＣ３０Ｆ在未来的ＤＳＰ市场中占有重要地位。目前，该产品已经开始在电机控制、网络连接、语音和音响、电源变换和监视、传感器控制、汽车控制等领域中开发应用。可以预见，随着ｄｓＰＩＣ３０Ｆ系列产品的不断开发和完善，以及开发工具、开发软件的不断丰富，ｄｓＰＩＣ３０Ｆ必将得到广大用户的青睐。
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