Instituto Superior Técnico. 2º Semestre de 2008/2009. Introdução aos Sistemas de Desenvolvimento de Programas DSK TMS320C6416/6713

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1 Instituto Superior Técnico Sistemas de Processamento Digital de Sinais Processadores de Sinal para Comunicações 2º Semestre de 2008/2009 Gonçalo Tavares, Março de 2009 Introdução aos Sistemas de Desenvolvimento de Programas DSK TMS320C6416/6713 Gerador de Sinais Filtros FIR e IIR

2 Introdução ao trabalho Neste trabalho pretende-se familiarizar os alunos com os sistemas de desenvolvimento de programas DSK TMS320C6416 e DSK TMS320C6713. O processador TMS320C6416 é um processador de 16 bit com aritmética de vírgula fixa que opera com um relógio de 1 GHz e portanto com um ciclo de instrução de 1 ns. Este processador é capaz de executar 8 instruções por cada ciclo de relógio e portanto o seu potencial de cálculo é de 8000 MIPS = 8 GIPS! Dispõe de 4 multiplicadores dedicados de bit cada um dos quais é capaz de efectuar duas multiplicações por ciclo de instrução e de mais de 1Mbyte de memória interna. O DSK deste processador tem instalada 16 Mbyte de memória externa SDRAM e 256 kbyte de memória flash. A par da família de processadores TigerSHARK da Analog Devices o C6416 é neste momento o processador mais rápido do mercado. O processador TMS320C6713 é um processador de 32 bit com aritmética de vírgula flutuante (mas pode também operar com aritmética de vírgula fixa), opera com um relógio de 225 MHz e é capaz de fazer o fetch e executar 8 instruções por ciclo de relógio. É baseado na arquitectura VLIW (Very Large Instruction Word) tem 6 ALU dedicadas e dispõe de 264 kbyte de memória interna e de 4 Gbyte de espaço de endereçamento externo. O DSK deste processador tem 16 Mbyte de memória externa instalada. O layout dos DSKs encontra-se representado nas figuras 1 e 2. Figura 1: Layout do DSK 320C

3 Figura 2: Layout do DSK 320C6713. A ferramenta de desenvolvimento de programas é denominada Code Composer Studio (CCS), versão Platinum v3.3. Trata-se de um sistema integrado de desenvolvimento muito semelhante ao Visual C da Microsoft e inclui todas as aplicações necessárias como o assembler, o compilador e o linker. Permite o depuramento de código em tempo real e a análise em tempo real utilizando RTDX (Real Time Data Exchange) entre o DSK e o host PC via ligação USB. O acesso ao processador é suportado por uma interface JTAG. Após completar este trabalho espera-se que o aluno: 1. Seja capaz de autonomamente criar um projecto de desenvolvimento no CCS tendo compreendido quais os ficheiros que têm de ser incluídos 2. Tenha compreendido (e seja capaz de modificar) o mecanismo de controlo do programa por meio de interrupções do processador 3. Tenha compreendido o mecanismo de comunicação com o CODED de áudio que permite a entrada/saída de sinais 4. Seja capaz de desenvolver programas simples utilizando apenas aritmética de inteiros (ou seja sem a utilização de vírgula flutuante) 3

4 Introdução ao DSK e ao CCS O CCS encontra-se já instalado nos computadores do laboratório estando disponível um shortcut para esta aplicação no desktop do computador. A directoria de instalação é c:\ccstudio_v3.3\ e os projectos a desenvolver devem ser criados na directoria c:\ccstudio_v3.3\myprojects. Para iniciar a sua sessão de trabalho deverá verificar qual o DSK disponível na sua bancada (que pode ser o C6416 ou o C6713) e lançar a aplicação correspondente (ou respectivamente). Nota importante Neste guia de trabalho todos os exemplos apresentados são para o DSK 320C6713. Os exemplos para o DSK 320C6416 são exactamente iguais sendo na maior parte dos caso apenas necessário substituir as ocorrências de 6713 por Na página da disciplina encontram-se disponíveis os projectos para ambos os DSKs. Ficheiros de suporte Ao longo do trabalho irá encontrar diversos tipos de ficheiros que, dependendo da extensão têm o seguinte significado: 1. *.pjt ficheiro com as configurações do projecto 2. *.lib biblioteca 3. *.cmd ficheiro de comandos para o linker 4. *.obj ficheiro de saída criado pelo assembler 5. *.out ficheiro de saída criado pelo linker em formato COFF e que deverá ser carregado no processador Na criação de projectos é necessário utilizar diversos ficheiros de suporte, já desenvolvidos e que permitem configurar o DSK. São os seguintes: 1. C6713dskinit.c contém todas as funções necessárias para inicializar o DSK, o CODEC e os portos série 2. C6713dskinit.h header file com os protótipos das funções de inicialização 3. C6713dsk.cmd ficheiro de comandos para o linker 4

5 4. vectors_intr.asm ficheiro asssembly com o mapeamento das interrupções 5. rts6700.lib, dsk68713bsl.lib, csl6713.lib bibliotecas de suporte para run-time, board e chip-support respectivamente Comunicação com o CODEC AIC23 A entrada e saída de sinais analógicos é realizada por meio do CODEC AIC23 que é um CODEC stereo de 18 bit com tecnologia sigma-delta. A comunicação entre o processador de sinal e este periférico é realizada através do porto série McBSP1 (Multichannel Buffered Serial Port) em modo DSP e pode ser controlada de duas formas distintas: Modo polling neste modo o processador testa continuamente um bit do CODEC que sinaliza o fim de uma conversão e portanto a disponibilidade de uma nova amostra. Modo de interrupções neste modo o processador é interrompido sempre que uma nova amostra está disponível. Nesta disciplina utilizaremos apenas o modo de funcionamento com interrupções. O modo polling é mais ineficiente pois o processador fica comprometido durante o tempo que decorre entre o instante que se inicia o polling e o instante em que a amostra está disponível. O programa para a comunicação com o CODEC AIC23 está já desenvolvido e ser-lhe-á facultado. A comunicação com o AIC23 pode ser feita utilizando palavras de 16, 24 ou 32 bit. Em qualquer dos casos o formato aritmético das amostras é complemento para 2. Os programas já desenvolvidos utilizam a comunicação de 32 bits para ler e escrever em ambos os canais (esquerdo e direito). De modo a facilitar a leitura e a escrita utiliza-se uma union com o nome AIC_buffer, que é definida da seguinte forma: union {Uint32 samples; short channel[2];} AIC_buffer; O registo AIC_buffer.samples é uma palavra inteira sem sinal de 32 bits que recebe/escreve os dados do/para o CODEC. O acesso (leitura/escrita) a cada um dos canais esquerdo ou direito é feito utilizando o array AIC_buffer.channel[]: o canal esquerdo em AIC_buffer.channel[0] e o canal direito em AIC_buffer.channel[1]. 5

6 Projecto de demonstração: sine8_buf Crie a directoria c:\ccstudio_v3.3\myprojects\sine8_buf e copie para ela o conteúdo do ficheiro sine8_buf67.zip (ou sine8_buf64.zip) disponível na página da disciplina. Lance a aplicação CCS. Para estabelecer a comunicação com o DSK execute Debug Connect. Abra o projecto fazendo Project Open e seleccionando o ficheiro de configuração c:\ccstudio_v3.3\myprojects\sine8_buf\sine8_buf.pjt. Verifique a estrutura de ficheiros que compõem o projecto e seleccione o ficheiro sine8_buf.c Estude o programa tentando compreender o seu funcionamento. Para este efeito deverá também abrir e estudar o ficheiro C6713dskinit.c. Repare como apenas são utilizadas variáveis inteiras (consulte o apêndice A onde estão listados os diversos tipos de variáveis e as suas características). Compile o projecto fazendo Project Build (ou Rebuild All). Carregue o programa resultante no processador fazendo File Load Program e seleccionando...\sine8_buf67\debug\sine8_buf.out. Execute Debug Run. (ou F5). Ligue o canal de saída esquerdo ao osciloscópio e observe o sinal. Pare a execução do programa (com Debug Halt ou SHIFT-F5). Por meio da tecla 6

7 direita do rato aceda ao menu de depuramento. Coloque um breakpoint numa linha do programa e faça watch de algumas variáveis. Execute o programa verificando a sua paragem no breakpoint e o valor das variáveis na janela de watch. Comunicação com o host PC por intermédio de RTDX Por meio da facilidade RTDX (Real Time Data Exchange) é possível controlar as variáveis do programa utilizando janelas de slider no Windows. Esta facilidade é implementada por intermédio de uma função escrita em GEL (General Extension Language). Carregue o ficheiro gain.gel fazendo File Load GEL e seleccionando este ficheiro que está na directoria do projecto. Abra o ficheiro na janela do CCS e estude-o. Obtenha informações fazendo Help Contents Index slider <ENTER>. Depois faça GEL Sine Gain Gain. Varie o valor do slider que controla a variável gain e observe a variação de amplitude no sinal de saída. O que acontece quando o valor ultrapassa 32? Representação gráfica Nota: Consulte o docente antes de efectuar o trabalho proposto nesta Secção. A aplicação CCS dispõe de algumas facilidades de visionamento gráfico. Como pode verificar no programa sine8_buf.c, as amostras do seno vão sendo guardadas no array out_buffer[]. Seleccione View Graph Time/Frequency. Em start_address coloque out_buffer, em Display Type escolha Single Time, em DSP Data Type escolha 16-bit signed integer e em Data Size coloque 256. Observe o gráfico das amostras em função do tempo. Mude Display Type para FFT Magnitude e em FFT Framesize coloque 256. Observe o espectro do sinal. Verifique que o valor da frequência da sinusóide está correcto (o eixo de frequências apresentado encontrase normalizado relativamente à frequência de amostragem f s ). Altere FFT Framesize para 200 e torne a observar o gráfico. Porquê a diferença? 7

8 Projecto loop_intr Este projecto é muito importante porque constitui a base a partir da qual todos os projectos serão construídos. Crie a directoria...\myprojects\loop_intr e copie para ela o conteúdo do ficheiro loop_intr67.zip (ou loop_intr64.zip) disponível na página da disciplina. Abra o projecto e seleccione o ficheiro loop_intr.c Estude detalhadamente este programa em particular o modo como é feito o seu controlo em função das amostras do AIC23. //Loop_intr.c Loop program using interrupt. #include "dsk6713_aic23.h" //codec-dsk support file Uint32 fs=dsk6713_aic23_freq_8khz; //set sampling rate char intflag = FALSE; union {Uint32 samples; short channel[2];} AIC_buffer; #define LEFT 0 #define RIGHT1 interrupt void c_int11() { //interrupt service routine } output_sample(aic_buffer.samples); AIC_buffer.samples= input_sample(); intflag = TRUE; return; //output data //input data void main() { short inbuf, outbuf; comm_intr(); //init DSK, codec, McBSP while(1){ //infinite loop while(intflag == FALSE); intflag = FALSE; // // Processamento específico // inbuf = AIC_buffer.channel[LEFT];//loop do canal esquerdo AIC_buffer.channel[LEFT] = inbuf; inbuf = AIC_buffer.channel[RIGHT];//loop do canal direito AIC_buffer.channel[RIGHT] = inbuf; // nota: as 4 linhas de código anteriores não são de // facto necessárias... } } 8

9 Projecto a desenvolver: gerador de sinais Nesta altura do trabalho deverá estar em condições de criar autonomamente programas simples. Com base no projecto loop_intr deverá criar um novo projecto que realizará um modulador de frequência de onda sinusoidal. O projecto só deve utilizar variáveis e aritmética de inteiros (com ou sem sinal) e os seus requisitos encontram-se na tabela seguinte: Parâmetro Símbolo Valor Observações Frequência de amostragem f s 8 khz Frequência mínima f min 1 khz Frequência a gerar quando o sinal modulante é mínimo Frequência máxima f max 2 khz Frequência a gerar quando o sinal modulante é máximo Canal de entrada esquerdo Sinal modulante Canal de saída esquerdo Saída do modulador Canal de saída direito Saída do oscilador de relaxação A sequência de desenvolvimento do projecto deverá ser como se segue: 1. Desenvolver um oscilador de relaxação (integrador em rampa) utilizando uma variável inteira de 16 bit com sinal e a circularidade da representação em complemento para Definir em memória de dados uma tabela da função seno com 32 valores relativos a meio-ciclo positivo da sinusóide. 3. Utilizar a variável de estado do oscilador (rampa) para indexar esta tabela e obter os valores do seno 4. Criar dois sliders (ficheiro GEL) que permitam o controle da amplitude e frequência 5. Nesta fase, o seu programa realiza um oscilador de frequência e amplitude controlada (por meio dos sliders). Pode agora incluir a modulação de frequência fazendo com que a variável que controla a frequência do oscilador dependa linearmente do sinal de entrada. 9

10 Projecto a desenvolver: realização de filtros FIR/IIR Parte teórica Nesta parte do trabalho irá calcular os coeficientes dos filtros utilizando os métodos que foram expostos nas aulas teóricas. Para calcular a resposta em frequência dos filtros pode usar a função freqz() do MATLAB. Existem muitas funções no MATLAB que calculam os coeficientes de filtros FIR e IIR a partir de uma dada especificação. Faça help fir1 para obter informação sobre estas funções. Está também disponível no MATLAB uma toolbox de processamento de sinal, sptool que disponibiliza uma ferramenta de cálculo automático de filtros, FDAtool. 1) Desenvolva um programa em MATLAB que calcule os coeficientes do filtro digital FIR, de acordo com a especificação apresentada na tabela para cada grupo. Calcule e represente a função de transferência (amplitude e fase) para posterior comparação com os resultados experimentais. 2) Desenvolva um programa em MATLAB que calcule os coeficientes do filtro digital IIR de acordo com a especificação apresentada na tabela para cada grupo. Factorize a função de transferência em secções biquadráticas e determine os coeficientes de cada secção. Calcule e represente a função de transferência de cada secção (amplitude e fase) e do filtro total (cascata das secções) para posterior comparação com os resultados experimentais. 3) A frequência de amostragem a utilizar deverá ser f s = 8 khz. Desenvolvimento do filtro FIR 1) Crie um novo projecto no CCS para realizar o filtro FIR. 10

11 2) Analise cuidadosamente as operações a realizar (via equação às diferenças) para decidir qual o formato aritmético Q n mais adequado à realização do filtro. 3) Desenvolva um programa genérico para o cálculo do filtro com N coeficientes utilizando apenas variáveis inteiras e teste-o. 4) Na página da disciplina está disponível o ficheiro bp1750.cof que contém os coeficientes de um filtro FIR, passa-banda com frequência central de 1750 Hz e com N = 81 coeficientes. Se ainda não dispuser dos coeficientes do seu filtro pode usar este filtro para testar o programa. Desenvolvimento do filtro IIR 1) O filtro IIR de 4ª ordem deverá ser implementado recorrendo a duas secções biquadráticas em cascata. 2) Analise cuidadosamente os coeficientes de cada secção decidir qual o formato aritmético Q n mais adequado à sua realização. 3) Desenvolva primeiro o programa para uma secção e teste-o colocando a saída do filtro no canal de saída esquerdo. Depois, pode duplicar o código (definindo uma nova linha de atraso e novos coeficientes) para realizar a 2ª secção. Coloque a saída desta secção no canal direito do filtro. Depois de testar ambos os filtros com o osciloscópio e gerador de sinais utilize o analisador de espectros para obter a resposta em frequência de cada filtro e compare com a função de transferência teórica. 11

12 Grupo Filtro Tipo e frequência(s) de corte Ordem FIR Passa-baixo ideal f c = 2kHz 63 1 e 4 Passa-banda Butterworth IIR com Ap = 3dB e 4 f c1 = 1kHz, f c2 = 2kHz FIR Passa-baixo ideal f c = 2kHz 63 2 e 5 Passa-banda Chebyshev com IIR ondulação Ap = 1dB 4 f c1 = 1kHz, f c2 = 2kHz FIR Passa-banda ideal f c1 = 1kHz, f c2 = 2kHz 63 3 e 6 Passa-baixo Chebyshev com IIR ondulação Ap = 1dB 4 f c = 2kHz Glossário ALU BSL CCS COFF DSK GEL JTAG RTDX Arithmetic Logic Unit Board Support Library Code Composer Studio (linked) Common Object File Format Digital Signal Processing Starter Kit General Extension Language Joint Team Action Group Real Time Data Exchange 12

13 Apêndice A Tipos de dados (data types) Neste apêndice listam-se os diversos tipos de dados que se podem utilizar na programação do processador. 13