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DSP原理及應(yīng)用第六章TMS320DM6437的流水線與中斷第六章TMS320DM6437流水線與中斷
6.1流水線6.2DSP的中斷系統(tǒng)6.3實(shí)驗(yàn)及程序?qū)嵗?.1流水線操作6.1.1流水線概述在馮諾依曼結(jié)構(gòu)中,機(jī)器各部件在某些周期內(nèi)進(jìn)行操作,而在某些周期內(nèi)是空閑的,導(dǎo)致機(jī)器各部分的利用率不高。
為了提高計(jì)算機(jī)各功能部件的工作效率和計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度,這就需要流水線(pipeline)技術(shù)。流水線技術(shù)是指在程序執(zhí)行時(shí)多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準(zhǔn)并行處理技術(shù)。它是將一個(gè)重復(fù)的過(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程,每個(gè)子過(guò)程有專門的功能部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。6.1流水線操作流水線中的每個(gè)子過(guò)程及其功能部件稱為流水線的級(jí)或段,段與段相互連接形成流水線。流水線的段數(shù)稱為流水線的深度。把多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi),依次通過(guò)各功能段,這樣,每個(gè)子過(guò)程就可以與其他的子過(guò)程并行進(jìn)行。6.1流水線操作對(duì)微處理器的每個(gè)部件來(lái)說(shuō),每隔1個(gè)時(shí)鐘周期即可進(jìn)入一條新指令,這樣在同一時(shí)間內(nèi),就有多條指令交疊在不同部件內(nèi)處理,使CPU運(yùn)算速度提高。但這種流水線工作方式控制較為復(fù)雜,很難全速運(yùn)行。
6.1流水線操作
TMS320DM6437的DSP具有獨(dú)特的特點(diǎn),它可以通過(guò)消除流水線交錯(cuò),簡(jiǎn)化流水線的控制,并通過(guò)增加流水線消除程序提取、數(shù)據(jù)訪問(wèn)和乘法運(yùn)算等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的瓶頸,提高了單周期的吞吐量。并且利用流水線提供的靈活性可以簡(jiǎn)化編程,提高性能。6.1流水線操作6.1.2.流水線操作
流水線操作以CPU周期為單位,一個(gè)CPU周期是指特定的執(zhí)行包在流水線特定階段的時(shí)間。CPU周期的邊界總是發(fā)生在時(shí)鐘周期的邊界,隨著節(jié)拍代碼流流經(jīng)各個(gè)部件,各個(gè)部件根據(jù)指令代碼進(jìn)行不同處理。一個(gè)指令的取出和執(zhí)行過(guò)程可以分為多個(gè)階段。
TMS320DM6437的DSP指令集流中所有的指令都通過(guò):取指(Fetch),譯碼(Decode),執(zhí)行(Execute)3個(gè)階段,各階段的任務(wù)如下:6.1流水線操作(1)取指
取出一條指令送到指令寄存器;所有指令的取指階段都有4個(gè)節(jié)拍,即PG、PS、PW、PR節(jié)拍,每個(gè)節(jié)拍的具體功能如下:PG程序地址產(chǎn)生:CPU上取指包的地址確定PS程序地址發(fā)送:取指包的地址送至內(nèi)存PW程序訪問(wèn)等待:訪問(wèn)程序存儲(chǔ)空間PR程序取指包接收:取指包送至CPU邊界6.1流水線操作TMS320DM6437的DSP取指階段:①每個(gè)節(jié)拍采用8個(gè)字的取指包。②四個(gè)節(jié)拍從左到右依次進(jìn)行。③
所有的這8個(gè)字同時(shí)通過(guò)PG、PS、PW和PR進(jìn)行取指。④PR取指包有四個(gè)執(zhí)行包,PW和PS各包括兩個(gè)執(zhí)行包,PG包含有八個(gè)指令的一個(gè)執(zhí)行包。圖6-1
流水線取指級(jí)的四個(gè)節(jié)拍功能圖6.1流水線操作(2)譯碼對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼,讀取操作數(shù);所有指令譯碼階段都包括2個(gè)節(jié)拍,即DP和DC節(jié)拍,每個(gè)節(jié)拍的具體功能如下:DP指令分配
:確定取指包的下一個(gè)執(zhí)行包,并將其送至適當(dāng)?shù)墓δ軉卧獪?zhǔn)備譯碼。DC指令譯碼:指令在功能單元進(jìn)行譯碼。(1)DP階段,取指包被分為執(zhí)行包。執(zhí)行包包括一個(gè)指令或兩到八個(gè)平行指令。在此階段,執(zhí)行包的指令被分配合適的功能單元。(2)DC階段,源寄存器、目標(biāo)寄存器和相關(guān)路徑被解碼,以執(zhí)行功能單元的指令。6.1流水線操作(3)執(zhí)行根據(jù)操作碼的要求,完成指令規(guī)定的操作,并把運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)到指定的存儲(chǔ)或緩沖單元中。流水線的執(zhí)行階段節(jié)拍的數(shù)量不同,這取決于指令的類型。流水線的執(zhí)行部分被分為5個(gè)節(jié)拍。大多數(shù)DSP指令是單周期的,所以它們只有一個(gè)執(zhí)行節(jié)拍(E1)。只有少數(shù)指令需要多個(gè)執(zhí)行節(jié)拍。不同類型的指令需要不同數(shù)量的這些節(jié)拍來(lái)完成執(zhí)行。流水線執(zhí)行級(jí)的5個(gè)節(jié)拍如下:6.1流水線操作1>執(zhí)行節(jié)拍E1①測(cè)試指定執(zhí)行條件及讀取操作數(shù),對(duì)所有的指令適用②對(duì)于讀取和存儲(chǔ)指令,假定指令的條件被評(píng)估為真時(shí),地址產(chǎn)生,其修正值寫(xiě)入寄存器,若指令的條件為假,則指令在E1后不寫(xiě)入任何結(jié)果或進(jìn)行任何流水線操作③對(duì)于轉(zhuǎn)移指令,程序轉(zhuǎn)移目的地址取指包處于PG節(jié)拍④對(duì)于單周期指令,結(jié)果寫(xiě)入寄存器6.1流水線操作1>執(zhí)行節(jié)拍E1⑤對(duì)于雙精度(DP)比較指令、ADDDP和MPYDP等指令,讀取源操作數(shù)的低32位⑥對(duì)于其他指令讀取操作數(shù)⑦對(duì)于雙周期雙精度(DP)指令,結(jié)果的低32位寫(xiě)入寄存器6.1流水線操作2>執(zhí)行節(jié)拍E2①讀取指令的地址送至內(nèi)存,存儲(chǔ)指令的地址和數(shù)據(jù)送至內(nèi)存,對(duì)結(jié)果進(jìn)行飽和處理的單周期指令,若結(jié)果飽和,置SRC的SAT位②
對(duì)于單個(gè)16×16乘法指令、乘法單元和非乘法操作指令,結(jié)果將寫(xiě)入寄存器文件。TMS320C64x的M單元的非乘法操作指令,對(duì)于DP比較指令和ADDDP/SUBDP指令,讀取源操作數(shù)的高32位③
對(duì)于MPYDP指令,讀取源操作數(shù)1的低32位和源操作數(shù)2的高32位,對(duì)于MPYI和MPYID指令,讀取源操作數(shù)6.1流水線操作3>執(zhí)行節(jié)拍E3①進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間訪問(wèn)②
對(duì)結(jié)果進(jìn)行飽和處理的乘指令在結(jié)果飽和時(shí)置SAT位③對(duì)于MPYDP指令讀取源操作數(shù)1的高32位和源操作數(shù)2的低32位④
對(duì)于MPYI和MPYID指令,讀取源操作數(shù)6.1流水線操作4>執(zhí)行節(jié)拍E4①對(duì)于讀取指令,把所讀的數(shù)據(jù)送至CPU邊界;②對(duì)于乘法擴(kuò)展,結(jié)果將被寫(xiě)入寄存器;③
對(duì)于MPYI和MPYID指令,讀取源操作數(shù);④
對(duì)于MPYDP指令,讀取源操作數(shù)的高32位;⑤
對(duì)于4周期指令,結(jié)果寫(xiě)人寄存器;⑥
對(duì)于INTDP指令,結(jié)果的低32位寫(xiě)入寄存器。6.1流水線操作5>執(zhí)行節(jié)拍E5①對(duì)于讀取指令,把所讀的數(shù)據(jù)寫(xiě)入寄存器②對(duì)于INTDP指令,結(jié)果寫(xiě)入寄存器。TMS320DM6437中所有指令均按照以上3級(jí)流水線運(yùn)行,具體流水線結(jié)構(gòu)如下圖所示:圖6-2
TMS320DM64373級(jí)流水線6.1流水線操作TMS320DM6437流水線流程圖如下圖所示,連續(xù)的各個(gè)取值包都包含8條并行指令,各個(gè)指令包以每個(gè)時(shí)鐘一個(gè)節(jié)拍的方式通過(guò)流水線。圖6-3TMS320DM6437流水線流程圖6.1流水線操作流水線的實(shí)現(xiàn)步驟如下所示:①?gòu)拇鎯?chǔ)器中取出一條指令。②判斷該指令是否支持并行執(zhí)行,如果支持,則執(zhí)行步驟①,不支持執(zhí)行步驟③。③對(duì)指令包中的每一條指令進(jìn)行解析,解析過(guò)程中采用運(yùn)用緩存機(jī)制提高指令的解析效率。④判斷延時(shí)隊(duì)列中是否有指令,如果有指令則執(zhí)行步驟⑤,沒(méi)有則執(zhí)行步驟⑥。6.1流水線操作⑤對(duì)延時(shí)隊(duì)列中每一條指令進(jìn)行如下操作:將指令的延時(shí)間隙減1;此時(shí),如果延時(shí)間隙為0,則執(zhí)行指令在En節(jié)拍的操作。⑥判斷指令包中是否有未執(zhí)行的指令,如果有,則執(zhí)行操作⑦,沒(méi)有則結(jié)束。⑦對(duì)執(zhí)行包中每一條指令進(jìn)行如下操作:如果指令有延時(shí)間隙,則執(zhí)行步驟⑥,如果沒(méi)有執(zhí)行延時(shí),執(zhí)行指令E1節(jié)拍的操作并跳動(dòng)步驟⑥。⑧執(zhí)行指令E1節(jié)拍的操作,指令的延時(shí)間隙減1,將指令加入到延時(shí)隊(duì)列中,并跳到步驟⑥。6.1流水線操作6.13.各類指令的流水線執(zhí)行TMS320C64x+系列的DSP的流水線操作執(zhí)行指令分為6種:①單周期指令(single-cycleinstruction)
②雙周期或多周期(two-cycleormultiplyinstruction)
③
存儲(chǔ)指令(storeinstruction)④擴(kuò)展乘法指令(extendedmultiplyinstructions)⑤加載指令(loadinstructions)⑥跳轉(zhuǎn)指令(branchinstructions)6.1流水線操作下表是六種類型指令的每個(gè)執(zhí)行階段中發(fā)生的操作的映射。表6-2
六種類型指令的每個(gè)執(zhí)行階段發(fā)生的操作表6.1流水線操作
當(dāng)要將同一指令讀入和存儲(chǔ)到相同的內(nèi)存位置時(shí),有如下規(guī)則(i為周期):(1)在存儲(chǔ)之前執(zhí)行讀入指令,則以前的值被讀入,新的值被存儲(chǔ)。
iLDWi+1STW(2)讀入指令前執(zhí)行存儲(chǔ)指令,則新的值被存儲(chǔ)和讀入。
iSTWi+1LDW6.1流水線操作(3)當(dāng)讀入指令和存儲(chǔ)指令同時(shí)執(zhí)行,以前的值首先被讀入,新的值被存儲(chǔ),但是都在同一節(jié)拍。
iSTWi+1LDW6.1流水線操作CPU運(yùn)行時(shí),每次取八條指令組成一個(gè)指令包,取指包一定在地址的256位邊界定位。每條指令的最后一位是并行標(biāo)志位P,P標(biāo)志位決定本條指令是否與取指包中的下一條指令并行執(zhí)行。CPU從低地址到高地址依次判讀P標(biāo)志位:如果為1,則該指令將與下一條指令并行執(zhí)行;如果為0,則下一條指令要在本指令執(zhí)行完以后才能執(zhí)行。6.1流水線操作如果流水線中的指令相互獨(dú)立,則可以充分發(fā)揮流水線的性能。但在實(shí)際中,指令間可能會(huì)相互依賴,這會(huì)降低流水線的性能。相鄰或相近的兩條指令因存在某種關(guān)聯(lián),后一條指令不能在原指定的時(shí)鐘周期開(kāi)始執(zhí)行,造成流水線中出現(xiàn)“阻塞”的情況。(1)在一個(gè)取指包中有多個(gè)執(zhí)行包的流水線操作一個(gè)FP包含8條指令,可分成1~8個(gè)EP,每個(gè)EP是并行執(zhí)行的指令,每條指令在1個(gè)獨(dú)立的功能單元內(nèi)執(zhí)行。當(dāng)一個(gè)取值包包含多個(gè)執(zhí)行包時(shí),這時(shí)將出現(xiàn)流水線阻塞。6.1流水線操作圖6-4流水線阻塞圖取指包在指令周期1~4時(shí),通過(guò)取指級(jí)的4個(gè)節(jié)拍,同時(shí)1~4的每個(gè)指令周期都有1個(gè)新取指包進(jìn)入PG節(jié)拍;在第5個(gè)指令周期的DP節(jié)拍,CPU掃描FPn的P位,檢測(cè)出有3個(gè)執(zhí)行包EPk~EPk+2,迫使流水線阻塞,允許EPk+1和EPk+2在第6和7個(gè)指令周期進(jìn)入DP節(jié)拍,一旦EPk+2進(jìn)入DC節(jié)拍,流水線阻塞也被釋放;6.1流水線操作FPn+1~FPn+4在第6和7個(gè)指令周期被阻塞,F(xiàn)Pn+5在第6和7個(gè)指令周期也被阻塞,直到第8個(gè)指令周期后才進(jìn)入PG節(jié)拍:第8個(gè)指令周期后流水線將連續(xù)操作,直至又有多個(gè)執(zhí)行包進(jìn)入DP節(jié)拍或有中斷發(fā)生。圖6-4
流水線阻塞圖6.1流水線操作(2)多周期NOP指令對(duì)流水線運(yùn)行的影響單周期NOP指令與其它代碼在一個(gè)執(zhí)行包中。LD、ADD、和MPY指令的結(jié)果在適當(dāng)指令周期是可用的,NOP指令對(duì)執(zhí)行包無(wú)影響。圖6-5NOP與其它代碼在一個(gè)執(zhí)行包6.1流水線操作用一個(gè)多周期NOP5代替單周期NOP指令。NOP5將產(chǎn)生除它的執(zhí)行包內(nèi)部指令操作之外的空操作。在NOP5指令周期完成之前,任何其它指令不能使用LD、ADD、和MPY指令的結(jié)果。圖6-6
用多周期NOP指令代替單周期NOP指令6.1流水線操作跳轉(zhuǎn)指令可以影響多周期NOP指令的執(zhí)行,當(dāng)一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令延遲間隙結(jié)束時(shí),多周期NOP指令不管是否結(jié)束,這時(shí)跳轉(zhuǎn)都將廢棄多周期NOP指令。圖6-7
跳轉(zhuǎn)指令對(duì)多周期NOP指令的影響6.1流水線操作6.1.4.存儲(chǔ)器對(duì)流水線性能的影響
TMS320DM6437片內(nèi)為哈佛結(jié)構(gòu),即存儲(chǔ)器分為程序指令存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,是一種并行體系結(jié)構(gòu)。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是體系中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線,從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了數(shù)倍。
6.1流水線操作
為了進(jìn)一步提高運(yùn)行速度和靈活性進(jìn)行改進(jìn):(1)允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中,并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用,增強(qiáng)了芯片的靈活性;(2)將指令暫存在高速緩沖器中,當(dāng)執(zhí)行此指令時(shí),不需要再?gòu)拇鎯?chǔ)器中讀取指令,節(jié)省了取指令周期。由于數(shù)據(jù)讀入和程序取指,內(nèi)存訪問(wèn)被分為多個(gè)階段,這保證了TMS320C64x系列的DSP能進(jìn)行內(nèi)存訪問(wèn)。6.1流水線操作
存儲(chǔ)器對(duì)流水線性能的影響主要為存儲(chǔ)器阻塞。對(duì)于程序存儲(chǔ)器,存儲(chǔ)器阻塞發(fā)生在PW節(jié)拍。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器則發(fā)生在E3節(jié)拍。存儲(chǔ)器阻塞會(huì)使處于該流水線的所有節(jié)拍延長(zhǎng)1個(gè)指令周期以上,從而使執(zhí)行增加額外的指令周期。圖6-8
存儲(chǔ)器阻塞圖6.1流水線操作6.2DSP的中斷系統(tǒng)1.中斷的基礎(chǔ)知識(shí)中斷類型和優(yōu)先級(jí)中斷是由硬件或軟件驅(qū)動(dòng)的信號(hào),為使CPU具有對(duì)外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。中斷信號(hào)使DSP暫停正在執(zhí)行的程序,接受并響應(yīng)中斷請(qǐng)求,進(jìn)入中斷服務(wù)程序。中斷過(guò)程包括保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文、完成中斷任務(wù)、恢復(fù)寄存器和進(jìn)程上下文、恢復(fù)原始進(jìn)程。中斷一旦被正確啟用,CPU將開(kāi)始處理中斷并將程序流重新定向到中斷服務(wù)程序。TMS320DM6437的CPU有3種類型中斷,即RESET(復(fù)位)、不可屏蔽中斷(NMI)和可屏蔽中斷(INT4~I(xiàn)NT15)。3種中斷的優(yōu)先級(jí)別不同,復(fù)位具有最高優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)別見(jiàn)表6-4。表6-4中斷優(yōu)先級(jí)表6.2DSP的中斷系統(tǒng)(1)復(fù)位RESET
具有最高級(jí)別中斷,復(fù)位中斷時(shí)正在執(zhí)行的指令中止,所有的寄存器返回到默認(rèn)狀態(tài)。復(fù)位是低電平有效信號(hào),必須保證低電平10個(gè)時(shí)鐘周期,然后再變高才能正確重新初始化CPU。復(fù)位中斷服務(wù)的取指包必須位于特定設(shè)備的特定地址。復(fù)位中斷不受分支指令的影響。6.2DSP的中斷系統(tǒng)(2)不可屏蔽中斷(NMI)
不可屏蔽中斷優(yōu)先級(jí)為2,它通常用來(lái)向CPU發(fā)出嚴(yán)重硬件問(wèn)題的警報(bào)。出現(xiàn)在NMI線上的請(qǐng)求,不受中斷標(biāo)志位IF的影響,在當(dāng)前指令執(zhí)行完以后,CPU立即無(wú)條件響應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)此中斷,在中斷使能寄存器中的不可屏蔽中斷使能位(NMIE)必須置1。NMIE為0時(shí),所有可屏蔽中斷(INT4~I(xiàn)NT15)均都被禁止。6.2DSP的中斷系統(tǒng)(3)可屏蔽中斷(INT4~I(xiàn)NT15)
可被CPU通過(guò)指令限制某些設(shè)備發(fā)出中斷請(qǐng)求的中斷。有12個(gè)可屏蔽中斷,它們被鏈接到芯片外部或片內(nèi)外設(shè),也可由軟件控制或者不用。I/O設(shè)備發(fā)出的所有中斷都可以產(chǎn)生可屏蔽中斷,受標(biāo)志位IF的影響,根據(jù)中斷循環(huán)標(biāo)志的設(shè)置來(lái)判斷CPU是否響應(yīng)中斷請(qǐng)求。中斷發(fā)生時(shí)將中斷標(biāo)志寄存器(IFR)的相應(yīng)位置為1。6.2DSP的中斷系統(tǒng)中斷服務(wù)表(IST)IST是包含中斷服務(wù)代碼的取指包的一個(gè)地址表。當(dāng)CPU開(kāi)始處理一個(gè)中斷服務(wù)時(shí),它要參照IST進(jìn)行。IST包含16個(gè)連續(xù)取指包,每個(gè)中斷服務(wù)取指包都含8條指令。圖6-9給出了IST的地址和內(nèi)容。圖6-9
中斷服務(wù)表6.2DSP的中斷系統(tǒng)中斷服務(wù)取指包(ISFP)當(dāng)中斷服務(wù)程序很小時(shí),可以把它放在一個(gè)單獨(dú)的取指包內(nèi),為了中斷結(jié)束后能夠返回主程序,F(xiàn)P中包含一條跳轉(zhuǎn)到中斷返回指針?biāo)赶虻刂返闹噶?。接著是一條NOP5指令,它使跳轉(zhuǎn)目標(biāo)能夠有效地進(jìn)入流水線的執(zhí)行級(jí)。若無(wú)這條指令,CPU將會(huì)在跳轉(zhuǎn)前執(zhí)行下一個(gè)ISFP中的5個(gè)執(zhí)行包。
圖6-10單獨(dú)的中斷取指包6.2DSP的中斷系統(tǒng)中斷服務(wù)表指針寄存器(ISTP)ISTP用于確定中斷服務(wù)程序在中斷服務(wù)表中的地址。ISTP中的ISTB確定IST的地址的基值,HPEINT確定當(dāng)前響應(yīng)的中斷,并給出這一特定中斷取指包在IST中的位置。6.2DSP的中斷系統(tǒng)圖6-12
ISTP格式描述表6-5ISTP字段描述6.2DSP的中斷系統(tǒng)2.中斷控制寄存器TMS320DM6437芯片控制寄存器組中有下列8個(gè)寄存器涉及中斷控制寄存器:(1)控制狀態(tài)寄存器(CSR)
控制全局使能或禁止中斷。該寄存器用于標(biāo)識(shí)一些狀態(tài),其中包括全局中斷使能、高速緩沖存儲(chǔ)器的控制位和其它各種控制位和狀態(tài)位。在控制狀態(tài)寄存器中包含控制中斷的兩個(gè)域,即GIE和PGIE。全局中斷使能(GIE)允許通過(guò)控制單個(gè)位的值來(lái)使能或禁止所有的可屏蔽中斷。6.2DSP的中斷系統(tǒng)圖6-14CSR格式全局禁用可屏蔽中斷的代碼:MVCCSR,B0;AND-2,B0,B0;MVCB0,CSR;全局使能可屏蔽中斷的代碼:MVCCSR,B0;OR1,B0,B0;MVCB0,CSR;表6-6CSR字段描述(2)中斷使能寄存器(IER)
該寄存器用于標(biāo)識(shí)某個(gè)中斷是使能還是禁止。格式圖6-15所示。圖6-15IER格式使能一個(gè)中斷(INT9)的代碼:MVK200h,B1;MVCIER,B0;ORB1,B0,B0;MVCB0,IER;禁用一個(gè)中斷(INT9)的代碼:MVKFDFFh,B1;MVCIER,B0;ANDB1,B0,B0;MVCB0,IER;6.2DSP的中斷系統(tǒng)該寄存器用于顯示中斷標(biāo)志。給出有中斷請(qǐng)求但尚未得到服務(wù)的中斷,存在于等待中斷的狀態(tài)中,包括INT4-INT15和不可屏蔽中斷的狀態(tài)。圖6-16
IFR格式(3)中斷標(biāo)志寄存器(IFR)、中斷設(shè)置寄存器(ISR)、中斷清除寄存器(ICR)設(shè)置一個(gè)中斷(INT6)并讀標(biāo)志寄存器的代碼:MVK40h,B3MVCB3,ISRNOPMVCIFR,B4清除一個(gè)中斷(INT6)并讀標(biāo)志寄存器的代碼:MVK40h,B3MVCB3,ICRNOP
MVCIFR,B46.2DSP的中斷系統(tǒng)(4)中斷設(shè)置寄存器(ISR)
人工設(shè)置IFR中的標(biāo)志位,使用它手動(dòng)清除IFR中的可屏蔽中斷(INT15-INT4)。該寄存器用于標(biāo)識(shí)是否允許軟件控制來(lái)設(shè)置中斷。圖6-17
ISR格式6.2DSP的中斷系統(tǒng)(5)中斷清零寄存器(ICR)
人工清除IFR中的標(biāo)志位,使用它手動(dòng)完成中斷處理。該寄存器用于標(biāo)識(shí)是否允許軟件來(lái)清除中斷。ICR格式如下圖所示。圖6-18ICR格式另外,ISR和ICR可用程序設(shè)置和清除IFR中的可屏蔽中斷位,設(shè)置和清除操作不影響NMI和復(fù)位。6.2DSP的中斷系統(tǒng)(6)不可屏蔽中斷返回指針寄存器(NRP)NRP保存從不可屏蔽中斷返回時(shí)的指針,該指針引導(dǎo)CPU返回到原來(lái)程序執(zhí)行的正確位置。當(dāng)NMI完成服務(wù)時(shí),為返回到被中斷的原程序中,在中斷服務(wù)程序末尾必須安排一條跳轉(zhuǎn)到NRP指令(BNRP)。從NMI返回的代碼:BNRP;NOP5;延遲間隙6.2DSP的中斷系統(tǒng)(7)可屏蔽中斷返回指針寄存器(IRP)IRP保存從可屏蔽中斷返回時(shí)的指針,該指針引導(dǎo)CPU返回到原來(lái)程序執(zhí)行的正確位置。當(dāng)可屏蔽中斷完成服務(wù)時(shí),為返回到被中斷的原程序中,在中斷服務(wù)程序末尾必須安排一條跳轉(zhuǎn)到NRP指令。從一個(gè)可屏蔽中斷返回的代碼:BIRP;NOP5;延遲間隙6.2DSP的中斷系統(tǒng)(8)中斷—復(fù)位狀態(tài)復(fù)位后,控制寄存器及控制位的中值如下:AMR,ISR,ICR,IFR及ISTP=0h;IER=1h;IRP和NRP未定義;CSR的位15~位0=100h(小終端模式)=000h(大終端模式)表6-7中斷控制寄存器描述6.2DSP的中斷系統(tǒng)3.中斷響應(yīng)過(guò)程根據(jù)TMS320DM6437的中斷機(jī)制,可以把中斷分為三部分:中斷請(qǐng)求、中斷檢查和中斷響應(yīng)。TMS320DM6437支持處理多個(gè)中斷請(qǐng)求:(1)當(dāng)有一個(gè)中斷正在執(zhí)行的時(shí)候,如果產(chǎn)生了一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的中斷請(qǐng)求,這時(shí)處理器便會(huì)去響應(yīng)優(yōu)先級(jí)比較高的中斷請(qǐng)求;(2)如果中斷請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)比較低,則該中斷請(qǐng)求被掛起,直到高優(yōu)先級(jí)的中斷執(zhí)行完畢后才執(zhí)行。6.2DSP的中斷系統(tǒng)1>中斷請(qǐng)求若有多個(gè)中斷源,CPU就需要判斷其優(yōu)先級(jí):先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)別高的中斷請(qǐng)求。6.2DSP的中斷系統(tǒng)2>中斷響應(yīng)CPU要響應(yīng)中斷需要滿足以下條件:①無(wú)同級(jí)或高級(jí)中斷正在服務(wù);②當(dāng)前指令周期結(jié)束;③
若現(xiàn)行指令是RETI、RET或者訪問(wèn)IE、IP指令,則需要執(zhí)行到當(dāng)前指令及下一條指令方可響應(yīng)。響應(yīng)過(guò)程:①
置位中斷優(yōu)先級(jí)有效觸發(fā)器,關(guān)閉同級(jí)和低級(jí)中斷;②調(diào)用入口地址,斷電入棧;③
進(jìn)入中斷服務(wù)程序。6.2DSP的中斷系統(tǒng)3>中斷處理中斷處理就是在確認(rèn)中斷后,執(zhí)行中斷服務(wù)程序,從中斷入口地址開(kāi)始執(zhí)行,直到返回指令為止。一般包括:①
保護(hù)現(xiàn)場(chǎng);②
執(zhí)行中斷服務(wù)程序;③恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。用戶根據(jù)要完成的任務(wù)編寫(xiě)中斷服務(wù)程序,要注意將主程序中的需要保護(hù)的的寄存器內(nèi)的內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)堆棧操作或切換寄存器組完成。6.2DSP的中斷系統(tǒng)4>中斷返回
中斷返回是指中斷服務(wù)完成后,CPU返回到原程序的斷點(diǎn),繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序,通過(guò)中斷執(zhí)行指令RETI來(lái)實(shí)現(xiàn)。6.2DSP的中斷系統(tǒng)4.中斷嵌套中斷嵌套是指中斷系統(tǒng)正在執(zhí)行一個(gè)中斷服務(wù)時(shí),有以下兩種情況:①事先設(shè)置了中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP②沒(méi)有設(shè)置IP
6.2DSP的中斷系統(tǒng)6.3實(shí)驗(yàn)及程序?qū)嵗?.3.1
IIR數(shù)字濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)6.3.2
基于ICETEK-DM6437-A的IIR數(shù)字濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)流水線是增強(qiáng)DSP性能的重技術(shù)。本章首先介紹TMS320DM6437流水線的線作用、級(jí)數(shù)、取指包、執(zhí)行包、流水線執(zhí)行級(jí)類型和流水線運(yùn)行時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題等相關(guān)內(nèi)容,其中重點(diǎn)是TMS320DM6437的流水線作用、級(jí)數(shù)、時(shí)序和流水線操作過(guò)程中存在的問(wèn)題。
本章小結(jié)DSP原理及應(yīng)用
第七章:增強(qiáng)型內(nèi)存直接訪問(wèn)控制器EDMA3第七章:增強(qiáng)型內(nèi)存直接訪問(wèn)控制器EDMA37.1概述7.2EDMA3控制器7.3EDMA3數(shù)據(jù)傳輸7.4參數(shù)RAM(PaRAM)7.5EDMA3的中斷7.6快速DMA(QDMA)7.7實(shí)驗(yàn)及程序?qū)嵗?.1EDMA3概述
信號(hào)處理中經(jīng)常涉及大量的數(shù)據(jù)傳輸。利用DSP的指令可以完成數(shù)據(jù)的搬移,但這會(huì)占用大量的CPU資源。為降低CPU的負(fù)荷,通常都在DSP片內(nèi)設(shè)計(jì)多通道的直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)控制器。DMA控制器是獨(dú)立于CPU的設(shè)備,一旦正確初始化后,就能獨(dú)立于CPU工作,在CPU操作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)以及外圍器件間的數(shù)據(jù)傳輸。DMA傳送時(shí),需要使用系統(tǒng)的地址和數(shù)據(jù)總線以及一些控制信號(hào)線,但這些總線一般都是由CPU控制的,因此為了能夠?qū)崿F(xiàn)DMA需要由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)總線的控制權(quán)轉(zhuǎn)移,為此一般的DMA控制器需要具有以下功能:
(1)可以向CPU發(fā)出HOLD號(hào),請(qǐng)求CPU讓出總線,即CPU在這些總線上的引線
處于高阻狀態(tài);(2)CPU讓出總線后,可以接管對(duì)總線的控制;(3)可以在總線上進(jìn)行尋址和讀寫(xiě)控制;(4)可以決定傳送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);(5)可以啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳送,可以判斷數(shù)據(jù)傳送是否結(jié)束并發(fā)出結(jié)束信號(hào);(6)可以在結(jié)束傳送后自動(dòng)交出總線控制權(quán),恢復(fù)CPU正常工作狀態(tài)。
7.1EDMA3概述
為便于數(shù)據(jù)傳輸,在基本操作的基礎(chǔ)上,DSP芯片的DMA控制器將數(shù)據(jù)進(jìn)行了分塊(block)管理,每一塊又可以分為若干幀(frame),每幀由一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)單元(element)組成。每個(gè)DMA通道的數(shù)據(jù)塊和數(shù)據(jù)幀大小可以由用戶自行設(shè)定?;谶@些管理單元,DMA控制器提供了多種傳輸方式,包括元素傳輸、幀傳輸和塊傳輸?shù)?。三種傳輸方式的最主要區(qū)別在于傳輸數(shù)據(jù)量的大小:(1)元素傳輸只對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作;(2)幀傳輸將搬移一幀內(nèi)的所有數(shù)據(jù);(3)塊傳輸搬移塊內(nèi)所有幀的數(shù)據(jù)。7.1EDMA3概述以下是DMA傳輸中的常用術(shù)語(yǔ):●讀傳輸:DMA控制器從源地址讀取一個(gè)數(shù)據(jù)單元?!駥?xiě)傳輸:DMA控制器將讀出的數(shù)據(jù)單元寫(xiě)入目的地址。●單元傳輸:包括數(shù)據(jù)的讀傳輸與寫(xiě)什專輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸。●數(shù)據(jù)傳送單元:?jiǎn)蝹€(gè)數(shù)據(jù)單元從源地址到目的地址傳輸,如果需要每個(gè)數(shù)據(jù)單元可以由同步事件傳輸?!駧阂唤M數(shù)據(jù)單元組成一個(gè)幀,一幀中的單元可以是間隔存放也可以連續(xù)存放的。幀傳輸可以同步傳輸,也可以異步傳輸?!駢K傳輸:完成若干幀的傳輸塊的傳輸俞,每塊內(nèi)的幀數(shù)可以通過(guò)編程來(lái)設(shè)置。●陣列:一組連續(xù)的數(shù)據(jù)單元組成一個(gè)陣列,在一個(gè)陣列中單元的位置連續(xù)存放且不能改變。陣列多在二維數(shù)據(jù)傳輸中使用。塊:多個(gè)陣列或者多個(gè)幀組成一個(gè)塊?!褚痪S傳輸:一組幀組成一個(gè)塊。每個(gè)塊中的幀個(gè)數(shù)范圍是1~65536。●二維傳輸:一組陣列組成一個(gè)二維塊,其中第一維是一個(gè)陣列中連續(xù)單元,第二維DMA控制器的工作方式有三種:方式1:存儲(chǔ)器與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸;方式2:存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交互傳輸;方式3:外部設(shè)備與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互傳輸。7.2EDMA3控制器EDMA3在TMS320DM6437DSP結(jié)構(gòu)中的位置7.2EDMA3控制器7.2.1EDMA3控制器的組成7.2.1.1.EDMA3控制器組成EDMA3控制器包含兩個(gè)主要模塊:EDMA3通道控制器(EDMA3_m_CC0)和EDMA3傳輸控制器(EDMA3_m_TCn)。7.2EDMA3控制器7.2.1EDMA3控制器的組成7.2.1.2.EDMA3通道控制器(EDMA3CC)7.2EDMA3控制器7.2.1EDMA3控制器的組成7.2.1.2.EDMA3通道控制器(EDMA3CC),主要模塊如下:?DMA/QDMA通道邏輯:這個(gè)模塊包括捕捉外部系統(tǒng)或外設(shè)事件用于初始化事件觸發(fā)傳輸?shù)倪壿媶卧?,也包含允許配置DMA/QDMA通道(隊(duì)列映射,參數(shù)RAM條目映射)的寄存器。.還有為不同觸發(fā)類型(手動(dòng),外部事件,鏈接和自動(dòng)觸發(fā))使能/禁止事件和檢測(cè)事件狀態(tài)寄存器。?參數(shù)RAM集(PaRAM):為通道和重載參數(shù)集提供參數(shù)集條目.需要將期望的通道和連接參數(shù)集的傳輸內(nèi)容寫(xiě)入到參數(shù)RAM集中。?事件隊(duì)列:它們構(gòu)成事件監(jiān)測(cè)邏輯和傳輸請(qǐng)求提交邏輯之間的接口。?傳輸請(qǐng)求提交邏輯:這個(gè)邏輯基于已提交到事件隊(duì)列的觸發(fā)事件以及提交相關(guān)事件隊(duì)列的給傳輸控制器的傳輸請(qǐng)求來(lái)處理參數(shù)RAM集。?結(jié)束檢測(cè):結(jié)束檢測(cè)模塊檢測(cè)EDMA3傳輸控制或者從設(shè)備傳輸結(jié)束.傳輸結(jié)束可以使用鏈接觸發(fā)一個(gè)新傳輸或者聲明一個(gè)中斷.這個(gè)邏輯包括使能/禁止中斷(發(fā)送給CPU的)中斷處理寄存器,中斷標(biāo)志或中斷清除寄存器。另外,還有:?區(qū)域寄存器:允許DMA資源(DMA通道和中斷)被分配到唯一的區(qū)域,該區(qū)域被唯一EDMA編程者(適用于異/多核模型)或唯一的任務(wù)/進(jìn)程(適用于單核設(shè)備模型)所有擁有。?調(diào)試寄存器:調(diào)試寄存器提供讀取隊(duì)列狀態(tài),通道控制器狀態(tài)(帶有CC的邏輯單元被激活)和丟失事件狀態(tài)的寄存器以使得調(diào)試可視化.7.2EDMA3控制器7.2.1EDMA3控制器的組成7.2.1.3.EDMA3傳輸控制器(EDMA3TC)7.2EDMA3控制器7.2.1EDMA3控制器的組成7.2.1.3.EDMA3傳輸控制器(EDMA3TC),主要模塊如下:?DMA程序寄存器集:DMA程序寄存器集存儲(chǔ)從EDMA3通道控制器(EDMA3CC)接收到的傳輸請(qǐng)求。?DMA源激活寄存器集:DMA源激活寄存器集存儲(chǔ)運(yùn)行態(tài)時(shí)讀控制器中當(dāng)前DMA傳輸請(qǐng)求的內(nèi)容讀控制器:讀控制器發(fā)送讀命令到源地址。?目的FIFO寄存器集:目的FIFO寄存器存儲(chǔ)運(yùn)行態(tài)或掛起態(tài)中寫(xiě)控制器的當(dāng)前DMA傳輸請(qǐng)求的內(nèi)容。?寫(xiě)控制器:寫(xiě)控制發(fā)送寫(xiě)命令/寫(xiě)數(shù)據(jù)到目的地址。?數(shù)據(jù)FIFO:數(shù)據(jù)FIFO存儲(chǔ)中間態(tài)數(shù)據(jù).存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)FIFO中的源外設(shè)讀數(shù)據(jù)和后續(xù)通過(guò)寫(xiě)控制器寫(xiě)入目的外設(shè)/從端的數(shù)據(jù)?完成接口:當(dāng)一個(gè)傳輸完成時(shí),完成接口發(fā)送完成代碼到EDMA3CC,完成接口對(duì)生成中斷和鏈接事件都有用。7.2EDMA3控制器7.2.1EDMA3控制器的組成7.2.1.4.EDMA3控制器的觸發(fā)方式(1)DMA通道有3種觸發(fā)方式事件觸發(fā):CPU必須先通過(guò)EER使能該事件,當(dāng)一個(gè)觸發(fā)事件鎖存到ER寄存器就會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)通道的EDMA3手動(dòng)觸發(fā):CPU可以通過(guò)寫(xiě)ESR啟動(dòng)一個(gè)EDMA3通道。鏈接觸發(fā):由一個(gè)EDMA3通道的傳輸結(jié)束來(lái)觸啟動(dòng)另一個(gè)EDMA3。(2)QDMA通道有2種觸發(fā)方式:自動(dòng)觸發(fā):PaRAM里設(shè)置為觸發(fā)字的域被寫(xiě)入值后,觸發(fā)傳輸(通過(guò)QCHMAPn寄存器設(shè)置PaRAM的哪個(gè)域作為觸發(fā)域)。鏈接觸發(fā):由一個(gè)EDMA3通道的結(jié)束來(lái)觸發(fā),啟動(dòng)另一個(gè)EDMA3。7.2EDMA3控制器7.2.2EDMA3通道控制器(EDMA3_m_CC0)的工作流程依據(jù)事件寄存器配置的觸發(fā)方式,在事件觸發(fā)之后,優(yōu)先級(jí)編碼器對(duì)兩個(gè)以上的觸發(fā)事件進(jìn)行優(yōu)先級(jí)編碼,優(yōu)先級(jí)編碼器仲裁后將最高優(yōu)先級(jí)事件傳送給隊(duì)列,經(jīng)過(guò)隊(duì)列之后這個(gè)事件由通道映射提取參數(shù)RAM中的參數(shù)集,參數(shù)集里包含了EDMA3要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的各種數(shù)據(jù),例如,數(shù)據(jù)塊的大小、數(shù)據(jù)的源地址和目標(biāo)地址等。這些參數(shù)集傳輸給EDMA3傳輸控制器。7.2EDMA3控制器7.2.3EDMA3同步事件表7-1和表7-2是EDMA0和EDMA1的各種類型的同步事件,這些事件產(chǎn)生可以觸發(fā)EDMA3進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,EDMA0和EDMA1各有32個(gè)同步事件。通道控制器EDMA0的同步事件7.2EDMA3控制器7.2.3EDMA3同步事件通道控制器EDMA1的同步事件7.2EDMA3控制器7.2.4EDMA3的事件與通道的映射關(guān)系7.2.4.1.事件與通道的映射關(guān)系每個(gè)EMDA3控制器支32個(gè)同步事件,32個(gè)事每件與32個(gè)通道之間的映射關(guān)系是固定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。事件與通道的映射關(guān)系7.2EDMA3控制器7.2.4EDMA3的事件與通道的映射關(guān)系7.2.4.2.DMA通道與PaRAM的映射關(guān)系event與DMAChannel一一對(duì)應(yīng),
DMA通道與PaRAM的映射也是一一對(duì)應(yīng)的。DMA通道與PaRAM的映射關(guān)系7.2EDMA3控制器7.2.4EDMA3的事件與通道的映射關(guān)系7.2.4.3.QDMA通道與PaRAM的映射關(guān)系QDMA通道不支持事件出發(fā),其觸發(fā)方式有兩種,即自動(dòng)觸發(fā)和鏈接觸發(fā)。例如,將QDMA通道2映射到PaRAMSet3,這時(shí),以SRC作為觸發(fā)字時(shí),QCHMAP2[PAENTRY]=000000011QCHMAP2[TRWORD]=0017.2EDMA3控制器7.2.5事件隊(duì)列事件隊(duì)列是EMDA3CC的事件檢測(cè)邏輯和EDMA3CC的傳輸請(qǐng)求提交之間的接口。TMS320DM6437有兩個(gè)傳輸控制器,每個(gè)傳輸控制器有32個(gè)DMA通道和8個(gè)QDMA通道,當(dāng)配置多個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),如果多個(gè)通道同時(shí)被觸發(fā),而傳輸控制器是有限的,此時(shí)就不能完成數(shù)據(jù)傳輸。解決的辦法就是依靠事件隊(duì)列,通過(guò)對(duì)事件的仲裁設(shè)定優(yōu)先級(jí),依據(jù)優(yōu)先級(jí)高低設(shè)置事件隊(duì)列,事件隊(duì)列依據(jù)優(yōu)先級(jí)向傳輸控制器提交傳輸請(qǐng)求。事件隊(duì)列與傳輸控制器7.3EDMA3數(shù)據(jù)傳輸7.3.1.EDMA3傳輸數(shù)據(jù)塊定義每一個(gè)EDMA3的傳輸數(shù)據(jù)都可看做是一個(gè)三維數(shù)據(jù),這個(gè)數(shù)據(jù)的大小由ACNT、BCNT和CCNT來(lái)描述。下圖是一個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)ACNT、BCNT和CCNT的定義。數(shù)據(jù)塊內(nèi)ACNT、BCNT和CCNT的定義7.3EDMA3數(shù)據(jù)傳輸7.3.2A-同步傳輸A-同步傳輸每次傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)單元(array),當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)單元傳輸完畢后根據(jù)B索引跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)進(jìn)行傳輸,直到一行傳輸完畢后根據(jù)C索引跳轉(zhuǎn)到下一行。B索引和C索引滿足:SRCBIDX=DSTBIDX=ACNTSRCCIDX=DSTCIDX=ACNT同步事件數(shù)=BCNT×CCNT7.3EDMA3數(shù)據(jù)傳輸7.3.3AB-同步傳輸在AB類同步傳輸中,每個(gè)EDMA3同步事件初始化二維數(shù)組或一個(gè)幀的傳輸。換句話說(shuō),每個(gè)事件或傳輸請(qǐng)求包攜帶BCNT個(gè)數(shù)列ACNT個(gè)字節(jié)的幀的所有信息。需要CCNT個(gè)事件服務(wù)以完成一個(gè)參數(shù)RAM集。
7.4參數(shù)RAM(PaRAM)7.4.1PaRAM集EDMA3控制器是基于RAM的結(jié)構(gòu),EDMA3CC中為DMA或者QDMA通道編程的傳輸內(nèi)容(源/目的地址,計(jì)數(shù),索引等)的RAM參數(shù)表被稱為PaRAM。PaRAM表被分解成多個(gè)參數(shù)RAM集。每個(gè)參數(shù)集包含8個(gè)4字節(jié)的參數(shù)RAM集條目,這些條目包含典型的DMA傳輸參數(shù),比如說(shuō)源地址,目的地址,傳輸數(shù)量,索引,選項(xiàng)等。
7.4參數(shù)RAM(PaRAM)7.4.2參數(shù)RAM條目EDMA3通道控制器(EDMA3CC)的參數(shù)RAM條目。
7.4參數(shù)RAM(PaRAM)7.4.3傳輸示例例1塊傳輸示例使用EDMA3做最基本的傳輸是塊傳輸。在設(shè)備操作的時(shí)候,經(jīng)常需要從一個(gè)地方到另一個(gè)地方或者片內(nèi)和片外之間內(nèi)存?zhèn)鬏斠粋€(gè)塊數(shù)據(jù)。在這個(gè)例子中,從外部?jī)?nèi)存到L2SRAM復(fù)制一段數(shù)據(jù)。4000,0000h地址開(kāi)始的一個(gè)256K字節(jié)的數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)絻?nèi)部地址11800000h(L2),
7.4參數(shù)RAM(PaRAM)7.4.3傳輸示例傳輸源地址被設(shè)置為外部?jī)?nèi)存所傳數(shù)據(jù)塊的起始地址,目的地址被設(shè)置位L2中數(shù)據(jù)塊的起始地址。如數(shù)據(jù)塊小于64K字節(jié),那么參數(shù)RAM配置按照?qǐng)D7-15,同步類型設(shè)置為A類同步傳輸及索引清零。如果傳輸數(shù)據(jù)量大于64K字節(jié),同步類型需要設(shè)置成AB類傳輸,BCNT和B-索引需要被設(shè)置成適當(dāng)值。OPT中STATIC位設(shè)置成先前的連接。(a)EDMA參數(shù)(b)通的選擇項(xiàng)參數(shù)(OPT)內(nèi)容7.5EDMA3的中斷EDMA3中斷源可以分為兩類:?傳輸完成中斷源?錯(cuò)誤中斷源7.5EDMA3的中斷EDMA3
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