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FUNDAMENTOS, ESTRUCTURA Y PROGRAMACIÓN DE LOS
PROCESADORES DIGITALES DE SEÑAL. FAMILIA TMS320C3X
DE TEXAS INSTRUMENTS.
Se gio Galla do, Ja ie Lillo, Se gio To al, Fede ico Ba e o
Uni e sidad de Se illa. [email p o ec ed]
RESUMEN
Es e abajo esume y p esen a las p incipales ca ac e ís icas y con enido de una nue a ob a,
ecien emen e publicada, elacionada con el p ocesado digi al de señal (DSP) TMS320C3x de Texas
Ins umen s. La ob a desc ibe, de o ma de allada, el compo amien o in e no del DSP (CPU, ges ión de
la memo ia, con lic os asociados a la segmen ación, pe i é icos in e nos, e c.), su p og amación y a
acompañada de in e esan es ejemplos p ác icos pa a la asimilación de los concep os desc i os.
1. INTRODUCCIÓN
El p ocesamien o digi al de señal es una ciencia que podemos clasi ica como “dominan e” en
nues a sociedad y como al, se ha con e ido en obje o de es udio en las Escuelas de
Ingenie ía de Telecomunicación. Cons i uye la base de lo que conocemos como elec ónica de
consumo, mul imedia, ele onía IP, ele onía sin hilo de ipo digi al, p ocesamien o de
imágenes (especialmen e con ines médicos) y, ac ualmen e, se empieza a u iliza en
au omoción y en aplicaciones domés icas (domó ica). Sin duda, g an pa e de “culpa” po es e
espec acula desa ollo ha sido debido a la apa ición de los p ocesado es digi ales de señal o
DSPs.
Un DSP es un mic op ocesado que posee una CPU de g an po encia y que es á
p epa ado pa a la ealización del mayo núme o de ope aciones a i mé icas en el meno
iempo posible. Los DSP son simila es a o os mic op ocesado es y mic ocon olado es que
se encuen an en el me cado con la sal edad de que su ci cui e ía in e na ha sido op imizada
pa a la ealización de unciones ales como el il ado, la co elación, el análisis espec al,
e c., de una señal digi al de en ada al sis ema. Es a ca ac e ís ica es la que le con ie e al DSP,
en el en o no de las elecomunicaciones y de la ecnología de la in o mación, la impo ancia
que iene.
Inicialmen e, los DSP disponían de un me cado educido (sólo se empleaban en
sis emas que eque ían una ele ada po encia de cálculo, como ocu e en ins umen ación
elec ónica de p ecisión, osciloscopios digi ales, e c.) aunque, con la e olución y expansión
elacionada con las elecomunicaciones, es a endencia ha cambiado cla amen e. Las
aplicaciones basadas en DSPs son innume ables y cada día an su giendo más posibilidades
cub iendo, en la ac ualidad, p ác icamen e odos los campos de la indus ia
( elecomunicaciones, con ol, ins umen ación, análisis de imagen y oz, au omó il,
medicina, e c.).
En la Escuela de Ingenie os de Telecomunicación de Se illa, el es udio de los
sis emas elec ónicos digi ales se ha en ocado hacia el análisis de la es uc u a,
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uncionamien o y aplicaciones de los DSPs. Así, en los planes ecien emen e ap obados, se
impa e, en e ce cu so, una asigna u a obliga o ia denominada “Complemen o de Sis emas
Elec ónicos Digi ales”, cen ada en el análisis de una de las amilias de p ocesado es
digi ales de señal más ex endida, la TMS320C3x de Texas Ins umen s. El lib o que se
p esen a en es e abajo cub e el análisis y diseño de sis emas digi ales complejos, basados en
el TMS320C3x, con una cla a o ien ación a su aplicación en el a amien o de señales
digi ales. El des ina a io es un alumno de Ingenie ía de Telecomunicación al que se p esupone
unas nociones elemen ales sob e sis emas digi ales basados en mic op ocesado y
p ocesamien o digi al de señal.
2. LOS DSPS EN LAS ESCUELAS SUPERIOR DE INGENIERÍA
Ac ualmen e, la ecnología a anza a un i mo e iginoso. En los úl imos quince años la
po encia de los o denado es pe sonales se ha inc emen ado po un ac o de 1000 y, es de
espe a , que en los p óximos quince con inúe a un i mo simila . Los a ances ecnológicos
han e olucionado la ciencia y la ecnología y un buen ejemplo de ello lo cons i uyen los
p ocesado es digi ales de señales (DSPs). Así, si a inales de los años ochen a, la enseñanza
de los DSPs o maba pa e de los cu sos de pos -g aduado, una década más a de o man pa e
de las enseñanzas uni e si a ias y cons i uyen unan he amien a básica pa a muchos
cien í icos e ingenie os.
La e olución de los p opios p ocesado es ha sido espec acula . Las a qui ec u as
in e nas han ido mejo ando has a llega a sis emas cada ez más complejos y desa ollados.
Pa alelamen e, las he amien as de p og amación y desa ollo han expe imen ado una
e olución simila . Los ab ican es se a anan en la búsqueda de compilado es y he amien as
de depu ación que hagan más ácil y amigable el abajo del diseñado de sis emas
elec ónicos digi ales. El esul ado ac ual se mues a en sis emas de una g an complejidad
in e na pe o con he amien as de desa ollo de un al o ni el de abs acción que pe mi en que
cualquie usua io, con una o mación mínima, se encuen e en disposición de abaja con
es os p ocesado es. G acias a es as acilidades, el me cado de los p ocesado es digi ales de
señales y sus aplicaciones en la indus ia y las comunicaciones han c ecido y c ecen a un
i mo exponencial año as año.
No obs an e, la incues ionable en aja de abaja con he amien as de desa ollo de
al o ni el de abs acción se ans o ma ambién en un incon enien e cuando el diseñado
pie de la pe spec i a de la a qui ec u a in e na y la o ma de abajo de los p ocesado es. Es
deci , cuando el so wa e y las he amien as de desa ollo hacen anspa en e al usua io el
ha dwa e in e no del sis ema con el que abaja. El pelig o es iba en que el diseñado se
con ie a en un p og amado incapaz de comp ende las limi aciones o p oblemas que no sean
capaces de esol e las he amien as de desa ollo. Únicamen e desde un conocimien o
p o undo del ha dwa e y, pos e io men e, el so wa e de un DSP es posible op imiza el
diseño de un sis ema digi al basado en es e ipo de p ocesado es, ap o echa odas sus
capacidades y p es aciones in e nas o compa a lo con o os DSPs exis en es en el me cado.
A endiendo a es a conside ación, la p esen e ob a apues a po una desc ipción
de allada de la a qui ec u a in e na de un p ocesado digi al de señales, la amilia
TMS320C3x de Texas Ins umen s, como pun o de pa ida pa a a anza en su p og amación y
sus he amien as de desa ollo, y llega a la ealización de aplicaciones conc e as muy
elacionadas con el p ocesamien o digi al de señal y la enseñanza de las elecomunicaciones.
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3. ESTRUCTURA DEL LIBRO
El lib o se ha es uc u ado en 8 capí ulos ag upados en es pa es más una in oducción.
El capí ulo 1 se plan ea a modo de in oducción gene al. Se p esen a al p incipio una
eseña his ó ica pa a encuad a los p ocesado es digi ales de señales den o del con ex o
his ó ico que ha supues o el desa ollo de la elec ónica y los mic op ocesado es pa a, a
con inuación, in oduci los di e en es p ocesado es digi ales de señales exis en es el me cado
y sus p es aciones p incipales.
La pa e I cons a de es capí ulos que se encuen an dedicados al es udio de la
a qui ec u a in e na de la amilia TMS320C3x. En p ime luga , en el capí ulo 2, se in oduce
y desa olla la a qui ec u a in e na de la CPU, sus egis os in e nos y la es uc u a in e na del
pipeline. La o ganización de la memo ia y los accesos a a és de los buses son de allados,
seguidamen e, en el capí ulo 3 pa a, inalmen e, comple a el es udio del p ocesado con los
pe i é icos in e nos de la amilia TMS320C3x en el capí ulo 4.
La pa e II se cen a en el so wa e y las he amien as de simulación asociadas al DSP.
El capí ulo 5 mues a los di e en es ipos de da os, lo an es y en e os, con los que ope a la
amilia TMS320C3x pa a aden a se a con inuación en sus modos de di eccionamien o y su
juego de ins ucciones. El capí ulo 6 in oduce el simulado como he amien a pa a el diseño
de aplicaciones so wa e, p oponiéndose, al inal del capí ulo, di e sos eje cicios p ác icos.
La pa e III y úl ima es á dedicada al sis ema de desa ollo DSK30, con el que es
posible ealiza y p oba pequeñas aplicaciones y p o o ipos basados en sis emas
mic op ocesado es. Cons a de dos capí ulos. El p ime o, capí ulo 7, desc ibe exhaus i amen e
el ha dwa e y so wa e del sis ema de desa ollo DSK30 y, inalmen e, el capí ulo 8 p opone
di e sas aplicaciones p ác icas pa a se implemen adas sob e dicho sis ema.
Con es e esquema, el p opósi o del lib o es que el lec o adquie a una isión comple a
de un p ocesado digi al de señales conc e o, de mane a que sea capaz de elaciona el
so wa e solución de una aplicación conc e a con los elemen os que cons i uyen la
a qui ec u a in e na de la CPU y sus pe i é icos. De es e modo consegui á un dominio
comple o del sis ema a odos los ni eles que le pe mi i á ap o echa plenamen e oda la
po encia de cálculo del p ocesado .
4. INDICE DEL LIBRO
El índice del lib o es el siguien e:
• Capí ulo 1. In oducción. Reseña his ó ica. Desc ipción de un sis ema mic op ocesado :
la unidad cen al de con ol de p ocesos (CPU), a qui ec u a de un sis ema
mic op ocesado , modos de di eccionamien o de la CPU, in e upciones e inicialización
del sis ema. Disposi i os p o is os de CPU: el DSP. Es uc u a in e na básica de un DSP.
P incipales aplicaciones y ab ican es de DSPs.
P ima e pa e. Es uc u a in e na y uncionamien o de la amilia TMS320C3x.
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• Capí ulo 2. La unidad cen al de con ol de p ocesos: CPU. Los DSPs de Texas
Ins umen s. Desc ipción gene al. Elemen os de la amilia TMS320C3x: TMS320C30,
TMS320C31, TMS320C32, TMS320VC33. Manejo de ins ucciones: ope aciones
in e nas del bus, con lic os en la es uc u a pipeline. Manejo de da os: egis os in e nos
de la CPU.
• Capí ulo 3. O ganización de la memo ia. Rango de di ecciones. Rese y ec o es de
in e upción. Pe i é ico de memo ia caché. A anque p og amado boo -loade : ca ga
desde memo ia ex e na, ca ga desde pue o se ie, boo -loade lexible del TMS320C32.
Ope aciones ex e nas del bus: diag amas de iempo y es ados de espe a, iempos de
ejecución y iempos de acceso, accesos ex e nos en el TMS320C32, bancos de
conmu ación p og amables, peculia idades en el acceso a pe i é icos ex e nos.
• Capí ulo 4. Pe i é icos in e nos. In oducción. En adas-salidas digi ales: XF0, XF1.
Tempo izado es: egis os de con ol y con igu ación, modos de ope ación del pe i é ico
empo izado , mé odo de con igu ación. Pue os se ie sínc onos: egis os de con ol y
con igu ación, modos de ope ación del pe i é ico pue o se ie, mé odo de con igu ación,
modos de ope ación y p o ocolo se ie sínc ono. Con olado DMA: egis os de con ol y
con igu ación, modos de ope ación y sinc onización de los e en os DMA, empo ización
de las ope aciones DMA, mé odo de con igu ación.
Segunda pa e. Desc ipción del so wa e: diseño y ealización de p og amas.
• Capí ulo 5. P og amación en lenguaje ensamblado . In oducción. Fo ma o de da os:
da os en e os, da os lo an es. Modos de di eccionamien o: di eccionamien o a egis o,
di ec o, indi ec o, inmedia o co o, inmedia o la go y ela i o al con ado de p og ama.
Pila. Ins ucciones.
• Capí ulo 6. SIM3x: He amien a pa a la ealización y p ueba de p og amas.
In oducción. SIM3x: gene ación de código máquina, p og ama ASM30.EXE, p og ama
LNK30.EXE, ejemplo. Eje cicios p ác icos: manejo de pila y ec o es de in e upción y
ese , gene ación de in e upciones ex e nas, ins ucciones en pa alelo.
Te ce a pa e. P og amación usando sis emas de desa ollo.
• Capí ulo 7. En o no de desa ollo DSK30. In oducción. Ca ac e ís icas gene ales del
DSK30: in e az ha dwa e con el pue o pa alelo, in e az ha dwa e con el con e ido
dual AIC. Desc ipción del so wa e del DSK30: p og ama DSK3A.EXE, p og ama
DSK3D.EXE.
• Capí ulo 8. Aplicaciones con el DSK30. In oducción. Eje cicios p ác icos:
p ocesamien o de señales de audio, gene ado de ondas, il os digi ales.
5. HERRAMIENTA MULTIMEDIA
El lib o iene acompañado de una aplicación mul imedia, (CD-ROM) in e ac i o. La
he amien a si e de complemen o al lib o adicional e in eg a lecciones eó icas y p ác icas.
Como no ma ípica asociada a cualquie ma e ial de ipo mul imedia, los concep os se
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desc iben en el CD-ROM median e la isualización de películas y animaciones, simpli icando
al máximo el ex o. La he amien a se desc ibe en p o undidad en [1], [2].
6. CONCLUSIONES
En es e a ículo se ha p esen ado una nue a ob a, cen ada en el es udio y análisis de un
p ocesado digi al de señal del ab ican e Texas Ins umen s. Con ella, los au o es p e enden
ellena el hueco que exis e en el mundo edi o ial po la ca encia de ob as publicadas
elacionadas con el ema, especialmen e en idioma cas ellano. Se ha p e endido desa olla
una he amien a desc ip i a y igu osa aunque asequible (de ahí que se suminis e con un
CDROM mul imedia), a la ez que p ác ica pa a acili a la asimilación de los concep os, el
ap endizaje y manejo de un sis ema digi al en ocado hacia los DSPs y la mode na ecnología
de compu ado es.
7. BIBLIOGRAFÍA
[1] C. Capilla, F. Ba e o, L. Ga cía, “CD-ROM mul imedia como mé odo de ayuda a la enseñanza eó ica de un
DSP”, 5º Cong eso de Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Elec ónica, pp. 275-278, Las Palmas de
G an Cana ia, Feb e o, 2002.
[2] A. González, F. Ba e o, L. Ga cía, “Labo a o io Vi ual de DSPs basado en CD-ROM mul imedia”, 5º
Cong eso de Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Elec ónica, pp. 275-278, Las Palmas de G an
Cana ia, Feb e o, 2002.