德州儀器 (TI) TMS320xF24xx 系列 DSP 于 1997 年推出，是 C2000? 產 品系列中系列器件的開山之作。它們被廣泛譽為首款具有片上閃存和集成 CAN 控制器的 DSP。 TMS320xF24xx 的特性包括用于多軸電機控制的 16 個 PWM 輸出、高達 500ns 的 10 位 A/D 轉換器、CAP/QEP 電機外設、扇區閃存以及用于通信的 CAN 接口和串行接口。設計人員充分利用了 16 位架構和性能的優勢，并采用了用于電機控制系統的集成外設，可提高控制能力、減少昂貴組件的使用、降低噪音并增添先進的功能。
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如今，C2000 產品系列不斷演變，可提供更佳的器件系列。 憑借多種自 40MHz 至 300MHz 的 CPU 性能配置以及各種外設和封裝選項，C2000 是業內最廣泛的產品系列，該系列為開發人員提供的選項可滿足各種性能、功能和價格需求。通過增強的模擬集成、先進的外設功能、增添的通信和 MCU 編程便捷性，C2000 提供了具有 MCU 集成和易用性的最佳 DSP 性能。 由于設計人員希望為產品增添新特性，我們將幫助設計人員過渡到 C2000 微控制器的最新 Piccolo TMS320F280xx 產品系列。憑借增強的性能、架構控制的改進、增加的閃存容量、更先進的控制外設以及最為重要的低成本，Piccolo MCU 為控制系統帶來了多種優勢。
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Piccolo 概述
Piccolo 微控制器系列成本低廉且高度集成，可對低成本電力電子裝置進行實時控制。通過四個器件系列和系列內 50 多種配置，Piccolo 微控制器提供了從 40MIPS 至超出 180MIPS 的性能、16KB 至 256KB 的閃存大小以及從 38 引腳至多達 100 引腳的封裝尺寸。 Piccolo 微控制器以低價提供一系列經過控制調優的器件，可滿足設計人員的控制需求。
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與 TMS320xF24xx 系列相比，Piccolo 器件提供了多種創新。 其內核得到了改進，而且脈寬調制模塊 (PWM) 和模數轉換器 (ADC) 模塊等外設均得到了徹底變革，從而改進了控制應用。 此外，通過集成之前分散組裝在印刷電路板 (PCB) 上的多個模擬組件，模擬集成為控制系統提供了更高的成本效益和更低的復雜性。總的說來，設計人員在遷移至 Piccolo 微控制器后應該能夠獲得更強的功能、更低的成本和更高的性能。
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不過，雖然這些進步針對電力電子裝置極大地改善了 Piccolo MCU，但 TI 了解在將系統遷移至新控制器時設計人員面臨的一些擔憂。由于具有新的內核和新控制外設，移植軟件以及針對新微控制器調整系統最初可能讓人望而生畏。因此，本文將深入探討 TMS320xF24xx 和 Piccolo TMS320F28xx 系列器件之間的差異。 本文將突出 Piccolo MCU 的新特性、詳細闡述 TMS320xF24xx 設計人員面臨的差異，并概述 TMS320xF24xx 器件過渡到 Piccolo 微控制器的遷移路徑。
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全新 C28x DSP 內核

圖1： C24x DSP 內核與 C28x DSP 內核
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雖然 TMS320xF24xx 器件基于 C24x DSP 內核，但更新的 C2000 器件（包括 Piccolo 微控制器）都基于更新的 C28x DSP 內核。您首先會注意到的差異就是 C28x 內核為 32 位，而之前的 C24x 內核為 16 位。其中明顯的益處在于設計人員能夠處理更大的存儲器空間，這意味著更新的 C2000 器件可用于控制應用的存儲器空間大大增加了。
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其次，計算方面益處多多。通過 32 位計算，C28x 內核現在可以進行單循環 32 位運算，包括單循環 32 x 32 乘法累加運算甚至是單循環雙 16 x 16 乘法累加運算。 因此，控制算法現在可以從每個兆赫中獲得更高的性能和精度以及更準確的數字結果。 此外，憑借增加的流水線和增強的內核架構，基于 C28x 的器件可在更高兆赫的頻率下工作，可以擁有更低的中斷服務例程延遲和更高的整體代碼效率。 C28x 內核是 C24x 內核在各個工作方面的完美改進。

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圖 2： Piccolo CLA 協處理器架構
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除 C28x 內核之外，Piccolo 器件還增添了用于協處理器或信號處理加速的選項，包括新 CLA 協處理器和 VCU 復數數學加速器。 CLA 協處理器是一種基于 C28x 內核的獨立浮點處理內核。 它可獨立訪問控制外設，從而進行雙核運算。 這一點通過提供額外的處理性能和模塊化控制方法為控制系統提供了優勢，因此，可以在 C28x 內核和 CLA 協 處理器之間劃分多個控制回路。例如，一個回路可以在 C28x 內核上運行電機控制算法，同時 CLA 協處理器可專注于電機位置解析算法，從而通過旋轉變壓器計算出電機位。同樣，除功率控制功能之外，還存在多種其他用例，包括但不限于多軸電機控制、 功率因數校正 (PFC) 加電機控制，甚至還包括電力線通信 (PLC)。 此外，通過對控制 外設的獨立訪問，C28x 和 CLA 協處理器還可以提供安全功能的補充啟用，可以交叉校驗 ADC 結果、PWM 生成和彼此的計算結果。
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同樣地，VCU 復數數學加速器可以為復數數學運算提供更佳的運算性能、更快的傅里 葉變換 (FFT) 運算和 Viterbi 運算。 憑借在 Viterbi 蝶形等計算方面高達 7 倍的 性能增量，VCU 加速器可以在低成本器件中獲得更高的信號處理性能。 這一點特別適合電力線通信 (PLC) 等應用，PLC 需要高級信號調整和處理功能以在嘈雜的電力線介質中 進行發送和接收。 基于通信的算法在單個器件上運行以減低系統成本和功耗，而非提供 輔助處理器來管理與 VCU 的通信鏈路。
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高級控制外設
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圖3： TMS320xF24xx 事件管理器
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除了對 DSP 處理內核的推動之外，我們還提供了 Piccolo 系列的多種 PWM 和 ADC 外設創新。 重溫一下，在 TMS320xF24xx 系列中，PWM 輸出是“事件管理器”模塊的一部分。在事件管理器中，兩個 16 位定時器和五個獨立的比較匹配檢查可以生成最多八個 PWM 輸出。 在這八個 PWM 輸出中，有六個輸出以互補對的形式生成，這意味著每兩個 PWM 波形中即有一個是一對中互補波形的強制反波形。 這六個 PWM 輸出也可以僅使 用每一對的單個比較匹配檢查（除零和周期匹配事件之外）生成。 可編程死區邏輯可應 用于這六個波形的上升沿和下降沿延遲，同時請注意，兩個延遲必須使用同一死區值。比較而言，在八個 PWM 輸出余下的兩個中，每一個都可以使用單獨的比較匹配檢查（除 零和周期匹配事件之外）獨立生成。但是，這兩個 PWM 輸出不支持任何死區邏輯。 因此，總的說來，來自事件管理器的每個 PWM 輸出都可以從至多 1 個比較匹配中生成，而死區邏輯則只能用于八個 PWM 輸出中的六個。
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在其他特性中，事件管理器 PWM 還提供跳閘邏輯，可以異步強制八個 PWM 輸出中的六 個進入高阻抗狀態，從而實現系統保護和安全。 此外，事件管理器的時基是與 3 個事件捕捉單元和 1 個正交解碼器接口共享的，這一點與 Piccolo 微控制器更加模塊化的方法大有不同。 與 Piccolo 微控制器不同，TMSxF24xx 器件上的多個事件管理器 (EV) 無法一起同步時基。
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圖 4： Piccolo TMS320F28xx ePWM 模塊
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相反，對于 Piccolo 微控制器，PWM 輸出是單獨和獨立 PWM 模塊的一部分。 每個 PWM 模塊都具有兩個可從單個 16 位定時器和兩個獨立比較匹配事件（除零和周期匹配事件之外）生成的 PWM 輸出。 16 位定時器具有向上、向下和向上/向下計數模式， 其中的向下計數模式是 Piccolo MCU 的獨有功能。 此外，Piccolo 微控制器的 PWM 可以生成同步或異步波形，甚至還可以生成帶有獨立異步雙沿占空比控制的 PWM。 某些 Piccolo 器件甚至包含革命性的高分辨率 PWM 模式，由此，設計人員可以獲得低至 150ps 的邊緣位置分辨率，從而在高頻操作下提供持續的高精度控制。 每個 PWM 輸出 還包括具有高分辨率性能的死區邏輯，由此，死區延遲可在半周期增量下出現。這可以 進一步降低控制系統中的電源開關損耗。
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此外，用戶可以對 PWM 模塊中的每個 PWM 輸出進行獨立極性控制，這意味著 Pic- colo 微控制器的 PWM 對不會像TMS320xF24xx 中一樣強制為互補對輸出。而且，與事件管理器的 PWM 不同，Piccolo 微控制器的 PWM 模塊可以通過可配置時間或相位偏移 同步時基；因此，其功能可以創造出更先進的時間同步系統。 然而，與事件管理器相似，Piccolo PWM 也具有跳閘區邏輯，但這一點已通過一次性 PWM 跳閘乃至逐周期 PWM 電流限制操作進行了進一步擴展。 除此以外，Piccolo 的 PWM 在 TMS320xF24xx 系列的跳閘功能上進行了進一步擴展，它提供了強制 PWM 進入高阻抗狀態的選項，可以設置 高或低跳閘條件，從而通過跳閘區邏輯實現更強大的安全和保護功能。
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比較 Piccolo 微控制器與 TMS320xF24xx 器件的 ADC，我們會發現 Piccolo 微控 制器提供了多個優勢。 首先，Piccolo ADC 可提供 12 位的分辨率，而 TMS320xF24xx 提供的是 10 位分辨率。Piccolo 微控制器的 ADC 同樣具有更快的轉換率，其速率 高達 4.6 兆樣本/秒 (MSPS)，而 TMS320xF24xx 器件則為 1.18 至 2.67MSPS。 因此，Piccolo 微控制器的 ADC 不僅能夠在數字域上更準確地顯示模擬信號，還可以明顯更快地捕捉信號以及將信號轉換到數字域。 在架構方面，Piccolo 微控制器 ADC 提供了兩個獨立的取樣保持單元，但 TMS320xF24xx 器件僅提供一個取樣保持單元。 通過同步雙路取樣保持功能，Piccolo 微控制器能夠同步取樣電機應用的相電流，乃至同步取樣電流和電壓測量。從操作的角度來看，Piccolo 基于啟動轉換 (SOC)，而 TM- S320xF24xx 器件則基于自動序列發生器。雖然 Piccolo 微控制器可以從單個觸發器中創造出持續的轉換系列，但由于 TMS320xF24xx 系列中的 ADC 基于自動序列發生器，因此 Piccolo 微控制器的 ADC 使用了 SOC，其中可以針對每個轉換指定觸發源、樣本窗 口大小和通道。這為 ADC 資源提供了最大的靈活性，可以滿足不同的系統需求。
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最后，Piccolo 系列與 TMS320xF24xx 系列的差異在于事件捕捉 (CAP) 和正交編碼器接口 (QEP) 在硬件中的實施方式。 請回想一下，TMS320xF24xx 器件上的 CAP 和 QEP 外設均集成在事件管理器 (EM) 中，它們與 PWM 輸出共享定時器資源。 相反，在 Piccolo 微控制器中，CAP 和 QEP 功能單獨位于獨立的模塊中，具有獨立的時基。 就功能而言，Piccolo 微控制器的捕捉單元以相似的方式操作，但也具有其他一些特征。 例如，某些 Piccolo 器件甚至包含高分辨率捕捉功能，由此，可以在典型的 300ns 分 辨率下測量出外部脈沖之間的區別。 這會帶來更低延遲的系統反饋。 此外，每個事件 捕捉模塊都可以在 PWM 模式下工作，可以在 PWM 模塊的 PWM 輸出之外提供額外的 PWM 輸出。
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正如本文前面簡要提到的那樣，Piccolo 包括許多架構增強功能，可以減少控制延遲、 降低系統成本并簡化系統設計。 這些增強功能包括片上比較器、片上可編程增益放大器 （在精選器件中）、低延遲 PWM 跳閘、雙路取樣保持 ADC 和集成生命支持功能。
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圖5： Piccolo TMS320F2805x 架構方框圖
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在將電流和電壓測量反饋回 Piccolo 微控制器的過程中，ADC 輸入引腳也會通過集成 DAC 送入片上比較器中，從而進行過電流或過電壓比較。 如果系統狀態位于確定的“正常”狀態之外，比較器將觸發直接異步跳閘以設置 PWM 輸出，從而在低至 30ns 下關閉 PWM 輸出。 或者，如前所述，PWM 可以逐周期跳閘，從而進行電流限制操作而非系統停機。
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在 Piccolo TMS320F2805x 器件中，可編程增益放大器 (PGA) 甚至可以進行片上集成，獲取來自 ADC 引腳的輸入，并在送入 ADC 個比較器之前進行放大。 PGA 不僅可以降低系統成本，由于系統在外部需要這些 PGA（在未進行片上集成的情況下），它們還可以通過隨電機速度的下降擴展 ADC 范圍的方式在電機控制等應用中大展所長。
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如前所述，Piccolo 微控制器中的 ADC 包含雙取樣保持單元；但在 TMS320xF24xx 系列中，ADC 僅提供一個取樣保持單元。 雖然 TMS320xF24xx ADC 可以嘗試模擬同步雙 取樣，樣本間的延遲通常為 850ns，但Piccolo 微控制器的 ADC 具有兩個完整的取樣保持單元，且同步樣本之間無延遲。 在需要測量同步相位電流或同步電流和電壓讀數時， 這一點非常重要。 樣本之間的任何延遲都將會在系統建模中造成誤差，甚至會在由此產生的系統控制中造成誤差。 Piccolo 微控制器消除了這種誤差，可以進行更準確的系統測量和控制。
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最后，與 TMS320xF24xx 器件相比，Piccolo 微控制器提供額外的生命支持電路，可以降低 Piccolo 器件供電和計時的成本和復雜性。 Piccolo 微控制器具有一個片上電壓 穩壓器 (VREG)，允許設計人員向器件提供單個 3.3V 輸入。 VREG 可無縫自主地將輸 入電源調整為模擬子系統需要的 1.8V 電壓軌。 同樣，Piccolo 器件還具有上電復位 (POR) 和欠壓復位 (BOR) 功能，可消除增加外部電路來監控器件電源輸入的需求。 此外值得一提的是，Piccolo 微控制器提供兩個具有時鐘故障檢測功能的片上振蕩器，可 在出現故障時無縫切換至備份時鐘源。
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軟件、可編程性和支持
從軟件來看，與 TMS320xF24xx 系列相比，Piccolo 器件擁有豐富的軟件資源。 Piccolo 器件全部可使用 C 語言進行編程，其中某些器件甚至自帶浮點支持。 通過獨特的器件庫，您可以使用 Piccolo 進行輕松編程和開發。 例如，IQMath? 庫為定點器件提供了浮點開發的益處，使開發更加容易，同時在定點和浮點器件之間提供了更好的代碼移植性。 還有適用于簡單 FFT、FIR、復數數學、信號生成等的 DSP 庫。 此外，如果您熟悉 TMS320xF24xx 器件上的電機控制庫，此庫經過多年的更新和優化，已成為適用于 Piccolo 微控制器且經過全面優化的最新電機庫。 您可以找到與 TMS320xF24xx 器件的電機庫相同的功能，但我們使用更新的功能擴展了這個新庫，包括 3 相傳感和無傳感電機的控制。 此外，我們還針對基于太陽能和數字能源的開發提供了優化的應用庫，為開發人員提供一整套經過應用調優的庫，可縮短開發時間。
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圖 6：controlSUITETM 軟件套件
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全部C2000 軟件是通過 controlSUITETM 軟件套件提供的。controlSUITE 是一款完全免費的單一訪問點，可獲取所有 C2000 器件軟件、開發套件資源、軟件庫、文檔和設計支持。controlSUITE 配備有圖形用戶界面 (GUI)，可輕松訪問 C2000 軟件和文檔，同樣它也提供自動更新實用程序，可讓用戶獲得最新的 C2000 軟件和文檔。 用戶可訪問前面提到的器件庫和應用庫以及詳細的示例項目，快速開始使用 C2000 器件。 其中還提供了詳細的文檔，包括用戶指南、應用手冊和白皮書。 無需通過 Web 四處搜索器件標題、庫或文檔，controlSUITE 即是可以滿足所有 C2000 微控制器需求的集中資源。 立即通過 www.ti.com/controlSUITE 下載 controlSUITE。
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圖7： Code Composer StudioTM IDE
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使用 Code Composer Studio v5 (CCS) 集成開發環境 (IDE)，C2000 器件開發更輕松。 CCS 是一種基于 Eclipse 的 IDE，可為大多數嵌入式設計人員提供熟悉的功能。 它包含優化的編譯器、調試器、描述器和仿真器等。 此外，熟悉 RTOS 嵌入式開發的開發人員還可以暢快地使用 CCS 附帶的 SYS/BIOS RTOS。 若要獲取詳細信息并立即下載最新版本，請訪問 www.ti.com/ccs。
C2000 還通過大量的開發工具套件提供了多種基于器件和應用的資源。 通過 C2000 controlSTICK 和 C2000 LaunchPad 開發套件中的入門示例項目，用戶可以體驗器件級編程和原型設計。 對于系統級原型設計，用戶可以購買 C2000 實驗板套件，它可提供實驗電路板區域并訪問所有 Piccolo MCU 信號。 對于專業的系統開發人員，C2000 微 控制器還提供了大量的應用開發套件。 從電機控制到數字電源，從太陽能到照明乃至 PLC，C2000 微控制器提供的眾多開發套件能夠幫助設計人員加速應用開發。 有關所有 C2000 開發套件的完整列表，請訪問www.ti.com/c2000tools 或查看 controlSUITE 的“套件”部分。
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通過 C28x 內核的向后兼容性，您可以輕松移植 TMSxF24xx 器件代碼。 CCS 具有編譯器選項，可以將基于 C24x 的器件中的匯編碼導入到更新的基于 C28x 的 C2000 器件中。 有關分步遷移信息，請參閱“入門資源”部分 TMS320C28x CPU 和指令集參考指南鏈接中的附錄 C。 同樣，我們也提供了用戶指南，其中詳細介紹了將基于 C24x 的器 件代碼移植到基于 C28x 的器件中時的指令集兼容性以及軟件遷移需求。 最后，如果遇到問題，我們的工程團隊可為您解難答疑。 請訪問 E2E 論壇，獲取問題答案并解決 您在過渡至 Piccolo MCU 的過程中可能遇到的任何難題。 請訪問 e2e.ti.com 并導航至左側導航欄“微控制器”(Microcontrollers) 部分下的“TMS320C2000? 32 位實時 MCU”(TMS320C2000? 32-bit Real-time MCUs)。
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概要
Piccolo 微控制器是對 TMSxF24xx 系列進行全方位改進的成果。 從 C24x 內核到新的C28x 內核，設計人員將看到顯著的性能改善、增大的存儲器容量和編程易用性。 此外，CLA 協處理器和 VCU 加速器等新性能選項進一步提高了系統性能、增加了強大的控制回路，也帶來了與眾不同的控制平臺。?
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從控制外設的角度，Piccolo 微控制器對 PWM 進行了改進，提供了更靈活的 PWM 生成、高分辨率的 PWM 功能、增強的死區支持和更先進的 PWM 跳閘功能。 在遷移至 Piccolo 微控制器后，設計人員應該能夠獲得更高的控制性能、功效和系統安全。 同樣，Piccolo 微控制器的分辨率得到了提高，可以獲得更準確更快速的轉換速度，從而實現更高頻率的控制回路，而雙取樣保持功能則可以在取樣多個輸入時實現同步零延遲。
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Piccolo 器件的架構也進行了變革，可以減少控制延遲并降低系統成本。 片上比較器提供異步、直接、低延遲的路徑，可在沒有 CPU 干預的情況下跳閘 PWM 輸出。 同樣，雙路取樣保持 ADC 可以實現同步相電流測量或同步電壓和電流測量，以進行電力電子裝置反饋。 通過去除之前支持器件必需的昂貴組件，集成的上電復位支持、欠壓復位支持和電壓穩壓器進一步降低了系統成本。
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最后，為了幫助開發人員將代碼移植到新的 Piccolo 微處理器系列中，Code Com- poser Studio (CCS) IDE 提供了編譯器選項，可以接受基于 C24x 的匯編碼，為開發人員到基于 C28x 的器件的代碼遷移打下了良好的基礎。 IQMath 庫、DSP 庫、浮點數學庫和信號生成庫等獨特的器件庫簡化了使用 C2000 執行的常見運算的編程過程。 同樣，開發人員可以利用經過調整的應用庫（如電機控制庫、太陽能庫和數字能源庫）來快速啟用系統，使之通過優化的代碼良好運轉。? 我們也提供了詳細的硬件應用套件，可以為開發人員提供適合的平臺，供其進行相關終端設備的學習和開發。 這一切都可以通過 C2000 的 controlSUITE 軟件套件獲取，用戶可將此作為單個訪問點，獲取使用 C2000 微控制器開發所需的所有資源。
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因此，立即開始使用 Piccolo 微控制器吧！ 憑借 Piccolo 器件提供的獨特優勢， 開發人員可以獲得比基于 TMS320xF24xx 的應用更高的性能、功效和強健性。 此外，大量的軟件、硬件和文檔資源可隨時滿足您的支持需求，如果仍有問題，我們的 E2E 論壇 也可以幫助您解決技術難題。