DSP芯片特點(diǎn)及選擇

1、6 DSP 芯片特點(diǎn)及選擇DSP（Digital Signal Proceccing） 芯片也稱為數(shù)字信號(hào)處理器 , 它是仿真系統(tǒng)硬件構(gòu)成的核心器件 , 它的性能對(duì)仿真功能的實(shí)現(xiàn)非常 重要。只有選定3DSP芯片，才能設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其它電路。 總的來(lái)說(shuō)，DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)仿真系統(tǒng)的規(guī)模，運(yùn)算速度、存貯 容量而定，但一般來(lái)說(shuō)，選擇 DSP芯片時(shí)應(yīng)考慮到如下因素2（1）DSP芯片的運(yùn)算速度。運(yùn)算速度是 DSP芯片的一個(gè)最重要的 性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素。DSP芯 片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來(lái)衡量：a. 指令周期（執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間） 。b. MA

2、C寸間（一次乘法加上一次加法的時(shí)間）。c. FFT執(zhí)行時(shí)間（運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需的時(shí)間）。d. MIPS（每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令）。e. MOP（S 每秒執(zhí)行百萬(wàn)次操作） 。f. MFLOPTS每秒執(zhí)行百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作）。g. BOPS（每秒執(zhí)行十億次操作）。（2）DSP芯片的價(jià)格。（3）DSP芯片的硬件資源。（4）DSP芯片的運(yùn)算精度。（5）DSP芯片的開(kāi)發(fā)工具。（6）DSP芯片的功耗。般而言，定點(diǎn)DSP芯片的價(jià)格較便宜，功耗較低，但運(yùn)算精度稍低。而浮點(diǎn)DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)稱精度高，用C語(yǔ)言編程方便，開(kāi)發(fā)周期短，但價(jià)格和功耗相對(duì)較高。6.1 DSP芯片的特點(diǎn)和種類(lèi)DSP芯片是一種特別適合于進(jìn)

3、行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器， 其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，一般具有如下 主要特點(diǎn)2:（1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；（3）片內(nèi)具有快速RAM通常可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；（4）具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；（6）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；（7）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；（8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。從1978年出現(xiàn)的第一個(gè)單片DSP以來(lái)，DSP芯片在這20幾年來(lái)得 到了高速發(fā)展，DSP芯片的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，

4、根據(jù)其用途可分為通 用型DSP芯片和專用型DSP芯片；按基礎(chǔ)特性分為靜態(tài)DSP芯片和一 致性DSP芯片；按數(shù)據(jù)格式分為定點(diǎn) DSP芯片和浮點(diǎn)DSP芯片。美國(guó)德州儀器公司（Texas Instruments，簡(jiǎn)稱TI）推出的TMS系列DSP芯片已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最有影響的 DSP芯片2 , TI公 司在1982年推出第一代 DSP芯片TMS320K > TMS320C1系列，隨 后推出第二代 DSP芯片TMS320*、TMS320C2系列，第三代DSP芯 片TMS320C3系列，第四代DSP芯片TMS320C4系列，第五代DSP芯 片 TMS320C5系列，第六代 DSP芯片 TMS320

5、C6系列。6.2 TMS320系列DSR芯片可編程DSP芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，為了達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的目的，DSP芯片一般都具有程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的總 線結(jié)構(gòu)、流水線操作功能、單周期完成乘法的硬件乘法器以及一套適 合數(shù)字信號(hào)處理的指令集。6.2.1 TMS320系列DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)。TM320系列DSP芯片基本結(jié)構(gòu)包括：（1）哈佛結(jié)構(gòu)；（2）流水線 操作；（3）專用的硬件乘法器；（4）特殊的DSP指令；（5）快速的指 令周期。這些特點(diǎn)使得TMS32C系列DSP芯片可以實(shí)現(xiàn)快速的DSP運(yùn)算，并使大部分運(yùn)算（例如乘法）能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。由于TMS320 系列DSP芯片是軟

6、件可編程器件，因此具有通用微處理器具有的方便 靈活的特點(diǎn)。（1）哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾曼（VonNeuman結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編 址，獨(dú)立訪問(wèn)。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)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)的吞吐率提高了一倍。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行速度和靈活性，TMS320系列DSP芯片在基 本哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，一是允許數(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； 二是指令存儲(chǔ)在 高速緩沖器（Cache）中，當(dāng)執(zhí)行此指令時(shí)，不

7、需要再?gòu)拇鎯?chǔ)器中讀 取指令，節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。（ 2）流水線與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。TMS320系列處理器的流水線深度從 26級(jí)不等。也就是說(shuō)，處理器可以并行處理 26條指令，每條指令 處于流水線上的不同階段。（ 3）專用的硬件乘法器TMS32C系列DSP芯片中具有一個(gè)專用的硬件乘法器，用 14條 指令就能完成一次乘法和一次加法運(yùn)算， 因此，在一個(gè)指令周期內(nèi)可 完成乘法運(yùn)算， 而在通用的微處器中， 乘法指令是靠一系列加法來(lái)實(shí) 現(xiàn)的，因此，TMS32（系列DSP乘法速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通用微處理器。（4）特別的DSP指令利用DSP的

8、特殊指令可以將多條指令才能完成的功能用一條指 令來(lái)完成，這樣可大大提高運(yùn)算速度。（ 5）快速的指令周期哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSF指令再 加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使 DSP芯片的指令周期在200ms以下。6.2.2 幾種TMS32C系列DSP芯片的比較(1) 第一代TMS32C系列DSP芯片TMS320C1是定點(diǎn)DSP芯片，采用二級(jí)流水線，其主要特點(diǎn)如下：指令周期：160 ns/200ns/280ns片內(nèi) RAM 144 字/256 字(TMS320C15/E15/C17/E17片內(nèi) ROM 1.5K 字/4K 字(TMS320C15/C17* 4K字片內(nèi)程序 EPR

9、OMTMS320E15/E17.4K字外部全速存儲(chǔ)器擴(kuò)展*并行乘法器：乘積為32位.桶形移位器：將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器移到 ALU*并行移位器允許文本交換的4X 12位堆棧.兩個(gè)間接尋址的輔助寄存器* 雙通道串行口( TMS32011 TMS320C17/E1)* 片內(nèi)壓擴(kuò)硬件(TMS32011 TMS320C17/E1)* 協(xié)處理器接口( TMS320C17/E1)器件封裝：40腳雙列直插(DIP) /44腳塑封(PLCC(2) 第二代TMS32C系列DSP芯片TMS320C2系列是定點(diǎn) DSP芯片, 采用三級(jí)流水線，其主要特點(diǎn)如下：* 指令周期：100ns/120ns/80ns*片內(nèi)掩膜ROM 4

10、K字片內(nèi)RAM 544字，分B0、B1和B2三塊*程序和數(shù)據(jù)空間均為64K字具有8級(jí)硬件堆棧、8個(gè)輔助寄存器.具有全靜態(tài)雙緩沖串行口，可與許多串行器件直接接口*與低速片外存儲(chǔ)器通信的等待狀態(tài)插入采用HOLD操作的DMA.FFT變換用的比特反轉(zhuǎn)尋址«擴(kuò)展精度算術(shù)和自適應(yīng)濾波支持從外部存儲(chǔ)器全速執(zhí)行的 MAC/MAC指令具有在多處理器之間進(jìn)行同步的能力，支持多處理器共享存儲(chǔ)器 1-8umCMO工藝，68 腳 PGA或 PLCC封裝(3) 第三代TMS320系列DSP芯片TMS320C3)系列芯片是浮點(diǎn) DSP芯片，采用四級(jí)流水線。其主要特點(diǎn)如表 6-1表6-1三種TMS320C3芯片的比

11、較特征TMS320C30TMS320C31TMS320C32指令周期50/60/74ns33/40/50/60/74ns33/40/50ns數(shù)據(jù)/程序總線主總線STRB 32位數(shù)據(jù)，24位地址擴(kuò)展總線IOSTRB 32位數(shù)據(jù)，13位地址STRB 32位數(shù)據(jù)，24位地址STRB0 8/16/32 位STRB 1 8/16/32 位 IOSTRB 32 們內(nèi)部RAM2K字2K字512字串行I/O 口2個(gè)串行口1個(gè)串行口1個(gè)串行口用戶程序、數(shù)據(jù)ROM4K字/16K字節(jié)無(wú)無(wú)DMA空制器單通道單通道雙通道程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 寬度32位32位程序16/32位可選數(shù)據(jù)8/16/32位可選外部中斷觸發(fā)電平觸發(fā)電

12、平觸發(fā)電平/邊沿可選中斷矢量表地址固定固定用戶可重定位程序引導(dǎo)無(wú)用戶可選用戶可選40/32浮點(diǎn)/整數(shù)有有有乘法器整數(shù)/浮點(diǎn)算術(shù)邏輯單元ALU有有有兩個(gè)輔助寄存器算 術(shù)單元（ARAU（和ARAU1有有有（4）第四代TMS320系列DSP芯片TMS320C4）系列芯片是浮點(diǎn) DSP芯片，采用五級(jí)流水線，其主要特點(diǎn)如下：.具有6個(gè)用于處理器間高速通信的通信口，每個(gè)口的最大數(shù) 據(jù)吞吐量達(dá)20Mbyte/s的異步傳輸速率。 6個(gè)DMA通道實(shí)現(xiàn)了 I/O操作與CPL操作的并行化。 CPL處理能力達(dá)275MOP,S數(shù)據(jù)吞吐量為320Mbyte/s,指令周 期時(shí)間為40ns/50ns。.兩條分開(kāi)的外部數(shù)據(jù)、地

13、址總線支持共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)和高速 數(shù)據(jù)速率、單周期傳輸。片內(nèi)分析模塊支持高效的并行處理調(diào)試。片內(nèi)程序高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）和雙向存取/單周期RAM 提高了存儲(chǔ)器訪問(wèn)的性能。-分開(kāi)的內(nèi)部程序、數(shù)據(jù)和 DMA總線使程序和數(shù)據(jù)的I/O操作 咼度并行化，最大限度地保證了 CPL的性能。（5）第五代TMS320系列 DSP芯片TMS320C5）系列芯片是定點(diǎn) DSP芯片，采用四級(jí)流水線，其主要特點(diǎn)如下： 25/35/50ns 的指令周期（2040MIPS 224KX 16位最大可尋址外部存儲(chǔ)空間（64K程序、64K數(shù)據(jù)、64KI/O、32K全局）算術(shù)邏輯單元（ALU, 32位累加器（ACC以及32位

14、加法器的緩沖器（ACCB并行邏輯單元（PLU*結(jié)果具有32位的16X 16位并行乘法器.單周期乘累加指令.具有一個(gè)專用算術(shù)單元的8個(gè)輔助寄存器，可用于間接尋址 8級(jí)硬件堆棧* 016位數(shù)據(jù)左移和右移.兩個(gè)間接尋址的循環(huán)緩沖器，用于循環(huán)尋址程序代碼的單指令重復(fù)和程序塊重復(fù).全雙工同步串行口，用于完成 TMS320C5與其他串行器件之間的直接直接通信時(shí)分多址訪問(wèn)（TDM串行口-內(nèi)部定時(shí)器，可用軟件控制-64K并行I/O 口，其中16個(gè)有存儲(chǔ)器映像.可軟件編程的等待狀態(tài)發(fā)生器.擴(kuò)展保持操作，用于并發(fā)外部 DMA.四級(jí)流水線操作，用于延遲跳轉(zhuǎn)、調(diào)用、返回指令*比特反轉(zhuǎn)尋址方式，用于FFT運(yùn)算-JTAG

15、掃描仿真接口（ IEEE標(biāo)準(zhǔn)，P1149.1）（6）第六代TMS32C系列DSP芯片TMS320C6系列芯是一種新型定點(diǎn)DSP芯片，該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與以前的 DSP芯片不同，內(nèi)部集成了 多個(gè)功能單元，可同時(shí)執(zhí)行 8條指令，運(yùn)算能力達(dá)1600MIPS其主 要特點(diǎn)有：運(yùn)行速度快。指令周期為5ns,運(yùn)算能力為1600MIPS*內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同于一般DSP芯片。內(nèi)部同時(shí)集成了 2個(gè)乘法器和 6個(gè)算術(shù)運(yùn)算單元，且它們之間是高度正交的，使得在一個(gè)指令 周期內(nèi)最大能支持8條32bit的指令；指令集不同。為充分發(fā)揮其內(nèi)部集成的各執(zhí)行單元的獨(dú)立運(yùn)行 能力，TI公司使用了 VelociTT超長(zhǎng)指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)。

16、它在 一條指令中組合了幾個(gè)執(zhí)行單元，結(jié)合其獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可在 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行幾個(gè)指令；.大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍的尋址能力。片內(nèi)集成了512K字程序存儲(chǔ)器和512K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并擁有32bit的外部存儲(chǔ) 器界面；-智能外設(shè)。內(nèi)部集成了 4個(gè)DMA接口，2個(gè)多通道緩存串口，2個(gè)32bit計(jì)時(shí)器；低廉的使用成本。根據(jù)上述比較，結(jié)合仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，考慮DSP的功能和性能比，選擇了 TI公司第三代產(chǎn)品TMS320C31-4C浮點(diǎn)DSP芯片。6.3 TMS320C31-40 DSP 芯片TMS320C312-4C為主頻40MH才旨令周期為50ns的浮點(diǎn)DSP芯片， 它是TMS320C3的簡(jiǎn)

17、化和改進(jìn)型，它去掉了擴(kuò)展總線，一個(gè)半行口和 內(nèi)部的4K字ROM增加了程序的引導(dǎo)功能，其內(nèi)部包含了 2KX 32位的快速RAM塊。分開(kāi)的程序總線、數(shù)據(jù)總線和 DMA總線使得取指、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)和DMA操作可并行進(jìn)行，64X 32位的指令Cache用來(lái)存儲(chǔ)經(jīng) 常使用的代碼塊，這可大大減少片外訪問(wèn)的次數(shù)，從而提高程序運(yùn)行 速度，一般來(lái)講，其運(yùn)算速度為 20MIPS或40MFLOP,S采用132腳的 PQFP封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖為圖6-1。外設(shè)總線.外631 中央處理單元CPU中央處理單元CPU是 DSP芯片的核心組成部件，其性能直接決定了 DSP的運(yùn)算速度，圖6-2是CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。CPU內(nèi)有一個(gè)40

18、/32位的浮點(diǎn)/定點(diǎn)法器和一個(gè)浮點(diǎn)/整數(shù)算術(shù)邏輯單兀，使DSP在單周期內(nèi)完成乘法和一個(gè)加法運(yùn)算，大大提咼了DSP勺運(yùn)算速度。CPU內(nèi)還有一組寄存器，CPU寄存器組有28個(gè)內(nèi)部 寄存器，他們可以由乘法器和算術(shù)邏輯單元進(jìn)行操作， 此寄存器組包 括： 8個(gè)擴(kuò)展精度寄存器（R7-Ro） 8個(gè)輔助寄存器（AR-AR。） 2個(gè)指針寄存器（IR。、IRi）.1個(gè)塊大小寄存器（BK-1個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)面寄存器（DP-1個(gè)堆棧寄存器（SR 1個(gè)狀態(tài)寄存器（ST） 1個(gè)CPU/DM中斷使能寄存器（IE） 1個(gè)CPU中斷標(biāo)記寄存器（IF） 1個(gè)I/O標(biāo)記寄存器（IOF） 1個(gè)重復(fù)計(jì)數(shù)器（RC和2個(gè)塊重復(fù)（RS RE寄存器

19、1個(gè)程序計(jì)數(shù)器（PC632內(nèi)部存儲(chǔ)器64 X 32位的指令緩存器極大提高了重復(fù)運(yùn)算的指令使用效率，減 少了片外尋址（等待）的次數(shù)，它由 CPU犬態(tài)寄存器中的3位（bit ） 塊定清除、使能或凍結(jié)Cache的狀態(tài)。6.3.3 片內(nèi) DMA片內(nèi)DM/主要由地址生存器和控制寄存器組成。6.3.4 外設(shè)1 個(gè)串行口，支持 8/16/24/32 位。2 個(gè) 32 位定時(shí)器。6.3.5 TMS320C31-40 的軟件資源（1） 豐富的指令系統(tǒng)TMS320C31-40的匯編語(yǔ)言指令集特別適合于數(shù)字信號(hào)處理。所有 指令占一個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)， 大部分指令是單周器的。 指令集共有 113 條指 令，可以分為六類(lèi)：數(shù)據(jù)

20、傳送類(lèi)、二操作數(shù)算術(shù) / 邏輯類(lèi)、三操作數(shù) 算術(shù)/邏輯類(lèi)、程序控制類(lèi)、互鎖操作類(lèi)及并行操作類(lèi)。12 條數(shù)據(jù)傳送指令可從存儲(chǔ)器中讀一個(gè)字裝入寄存器， 將一個(gè)字從寄存器中存入 存儲(chǔ)器中及進(jìn)行堆棧操作。二操作數(shù)指令有 35條，提供整數(shù)、浮點(diǎn)、 邏輯運(yùn)算及多精度算術(shù)操作。 17 條三操作數(shù)指令可以在一個(gè)指令周 期內(nèi)完成具有三個(gè)操作數(shù)的運(yùn)算， 其中兩個(gè)是源操作數(shù)， 另一個(gè)是目 的操作數(shù)。程序控制指令共 16 條，它們影響程序的流向，其中有塊 重復(fù)指令RPT廚口單指令重復(fù)指令RPTS除了有標(biāo)準(zhǔn)跳轉(zhuǎn)指令外，還 有延遲跳轉(zhuǎn)指令，有些指令具有條件運(yùn)算功能。 5 條互鎖操作指令主 要用來(lái)進(jìn)行多處理器之間的通信。剩

21、下的 28 條指令都是并行操作指 令，每條并行指令由兩條指令用符號(hào)“H”連接，并行操作指令可使“II”前后的兩條指令并行完成。需要注意的是，并不是任意兩條指 令都可構(gòu)成并行指令。（2）靈活的程序控制TMS320C31-4C提供相當(dāng)靈活的程序流控制。軟件的程序控制包 括重復(fù)、跳轉(zhuǎn)、調(diào)用、陷阱及返回等。重復(fù)方式可以實(shí)現(xiàn)無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)。塊重復(fù)指令RPTB可以使一塊代 碼重復(fù)執(zhí)行指定的次數(shù)，而單指令重復(fù)指令 RPTS使 一條指令重復(fù)執(zhí) 行指定的次數(shù)，由于 RPTS取指次數(shù)只有一次，因此減少了總線沖突 的機(jī)會(huì)。但RPTS指令禁止中斷。因此在需要中斷的場(chǎng)合，一般用RPTB 指令代替RPTS指令。跳轉(zhuǎn)指令分為標(biāo)

22、準(zhǔn)跳轉(zhuǎn)和延遲跳轉(zhuǎn)。標(biāo)準(zhǔn)跳轉(zhuǎn)首先將流水線清 空然后執(zhí)行跳轉(zhuǎn)， 這需 4 個(gè)周期才能執(zhí)行完畢。 延遲跳轉(zhuǎn)并不將流水 線清空，而是保證在程序跳轉(zhuǎn)之前執(zhí)行它下面的 3 條指令， 這樣使得 跳轉(zhuǎn)指令本身僅需 1 個(gè)指令周期。（3）流水線操作流水線操作是TMS320C31-4具有高性能的特性之一。5個(gè)功能 單元控制TMS320C31-4的操作：取指（F）、譯碼（D）、讀操作數(shù)（R）、 執(zhí)行（E）和DMA流水線操作就是一個(gè)基本指令的取指、譯碼、讀 操作數(shù)和執(zhí)行的并行操作。盡管DMA勺優(yōu)先級(jí)最低，但由于DMA空制 器具有自己的數(shù)據(jù)和地址總線，因此，通過(guò)合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，DMA與CPU的沖突可以減少甚至消除。流水線沖突可以分為下列三大類(lèi)：跳轉(zhuǎn)沖突、寄存器沖突和存儲(chǔ)器沖突(4) 尋址方式多樣TMS320C31-4C支持5組尋址模式和6種尋址方式。5組尋址模 式為通用尋址方式