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數字信號處理器(DSP)做某些模擬工作比模擬電路要出色，因此得以生存。在某些情況下，由于成本或復雜性的原因，任務甚至不能考慮用模擬電路，DSP仍然是一種可行的選擇，在很多情況下可以輕松地完成那些任務。 這是因為DSP進行算術運算既好又快，如加法和乘法。聰明的數學家和工程師利用了這一實際，通過創造算法來解決主要采用兩種數學運算的復雜的信號處理任務。 如今的DSP芯片不僅僅只是一個優秀的處理引擎。芯片上還集成了存儲子系統、高速接口、I/O等等。增加這些部件的目的是為了提高整體性能，降低功耗以及針對特殊的處理任務。 為了更好地理解各種DSP芯片的可用選項以及器件各部分是如何配合作為一個整體，分析當今市場上幾種有代表性的DSP是有幫助的。我們將仔細研究單核、單核加微控制器以及多核DSP芯片的例子。 單核DSP芯片 認為DSP芯片有一個單DSP核是很自然的，例如，TI的TMS320C6452(圖1)。此芯片是高性能固點DSP的TMS320C64x+家族的一員，針對工藝密集的多通道電信基礎設施和醫用成像系統。DSP核只不過是芯片設計的一部分，芯片的其余部分還包括存儲器、I/O以及其他功能模塊。 C6452 DSP集成了組織為兩級存儲子系統的片上存儲器。一級(L1)程序和數據存儲器每個都是32k字節。此存儲器可配置為映射RAM、高速緩存，或者兩者的某種組合。 當配置為高速緩存時，L1程序(L1P)是一個直接映射高速緩存，而L1數據(L1D)是一個雙向指令集結合高速緩存。二級(L2)存儲在程序與數據空間之間共享。L2存儲也能配置為映射RAM、高速緩存或者兩者的某種組合。設計師可使用片上存儲器為其項目增加特色。 C6452還包括兩個串行吉比特媒體獨立接口(SGMII)以太媒體接入控制(MAC)口和一個吉比特開關。此開關通過自動監控數據流以確保只有一個合適的TI將決策門加到所能的開關上，例如，用來辨別語音和數據通信，以提高多芯片設計的效率。如果DSP全部用于語音處理，就會阻止數據流進入，這樣可更有效地使用其處理帶寬。此外，器件具有兩個電信串行接口端(TSIP)，可無縫連接至常見電信串行數據流。 C6452上的其他I/O有一個66MHz PCI接口或通用主機端接口(UHPI)；一個到外部存儲器的雙數據率(DDR2)接口；TI開發的專利串行通信接口VLYNQ；一個16位外部存儲器接口(EMIFA)；一個多通道通用音頻串行口(McASP)；以及其他熟悉的接口。從此DSP的I/O判斷，可以肯定它是用于電信應用。其他應用用的是不同的I/O。 C6452和TI其他幾款DSP的核心是C64x mega模塊，其組成包括幾個元件：C64x+處理器、L1程序和數據存儲控制器、L2存儲控制器、內部DMA(IDMA)、中斷控制器、掉電控制器以及外部存儲控制器(圖2)。Mega模塊還支持對L1P、L1D和L2存儲器的存儲保護。此外還提供mega模塊資源的帶寬管理。 模塊上的C64x+處理器是一非常快速的DSP，工作速率可達1.2GHz。它采用8個功能模塊、兩個寄存器文件以及兩個數據路徑。在這八個功能單元中，有兩個是乘法器或者M單元。每個M單元在每個時鐘周期執行四次16位×16位乘法-累加(MAC)。 因此，在C64x+核上，每個周期可執行8次16位×16位MAC。在1.2GHz時鐘速率下，每秒鐘可發生9600次16位MMAC。此外，C64x+核的每個乘法器每個時鐘周期可計算一次32位×32位MAC或者四次8位×8位MAC。順便提一下，C6452不是以900M的最快的速度工作。 C64x+處理器的新特征有一個令人鐘愛的名字SPLOOP。這一小型指令緩沖器有助于創建軟件流水線操作環路，在這些環路中并行執行環路的多次迭代。SPLOOP緩沖器減小了有關軟件流水線操作的代碼大小。 DSP+微控制器芯片 另一類DSP在芯片上附加微控制器核。有時，為一個分離的核，如ARM處理器。有的情況下，處理器核同時包含DSP和MCU功能。這種情況就是眾所周知的模擬器件公司(ADI)的Blackfin DSP架構。 Blackfin是基于具有混合16/32型指令集架構的10級RISC MCU/DSP流水線，包括雙16位MAC DSP指令和一個32位類似于RISC的指令集。這種組合提供信號處理功能，具有與通用處理器有關的使用方便的特點。Blackfin處理器架構完全兼容SIMD(單指令多數據)并包括視頻與圖像處理加速指令。 這種處理屬性組合使Blackfin處理器與其同類產品不同。他們被設計為在信號處理和控制處理應用方面工作都非常好，在很多情況下，設計中無需獨立的異類處理器。Blackfin處理器在單核產品中速率高達756MHz。 除本地支持8位數據外，8位數據字長是很多像素處理算法常用的，Blackfin架構包括專門定義的指令，用于在視頻處理應用中增強性能。例如，SUM ABSOLUTE DIFFERENCE指令支持用于視頻壓縮算法(如MPEG2、MPEG4和JPEG)的運動估算算法。 這種架構處理多長度指令編碼。非常常用的控制型指令被編碼為緊湊的16位字，更多算術密集的信號處理指令編碼為32位值。處理器將16位控制指令與32位信號處理指令混合并連接成64位組，以使存儲器容量最大化。緩沖和取指令時，內核完全自動挑選總線長度，因為內核沒有調整約束。 所有Blackfin處理器，如ADSP-BF523，都包含獨立的DMA控制器，支持自動數據傳輸，而對處理器內核的操作壓力很小(圖3)。DMA傳輸可發生在內部存儲器與許多具備可直接存儲器存取(DMA)功能外設的任何部分之間。傳輸也能發生在外設和接至外部存儲器接口的外部器件之間，包括SDRAM控制器和異步存儲控制器。 存儲器架構包括L1和L2存儲器塊。L1存儲器直接連接到處理器內核，以全系統時鐘速度運行，為時間關鍵的算法部分提供最佳系統性能。此外，L1存儲器也可配置為SRAM、高速緩沖存儲器或者兩者的組合。 通過同時支持SRAM和高速緩沖存儲器編程模型，系統設計師可分配關鍵的要求高帶寬和到SRAM低存取的實時信號處理數據集合，同時在高速緩存中存儲“軟”實時控制和操作系統(OS)任務。L2存儲器是一更大的大容量存儲器存貯區，性能稍有降低，但仍快于片外存儲器。 每個Blackfin處理器都采用了多種功率節省技術，這些技術都是基于選通時鐘內核設計，可以在逐條指令的基礎上選擇性地降低功能單元功率。針對需要很少或不需要CPU活動的周期，這些處理器也支持多種降低功率模式。 在這種自約束動態功率管理方案中，可獨立控制工作頻率和電壓，滿足當前執行算法的性能要求。大多數Blackfin處理器提供片上內核穩壓電路，提供低至0.8V電壓工作，特別適合要求電池壽命延長的便攜式應用。 Blackfin處理器可配合多種微控制器型外設，包括10/100Ethernet MAC、UARTs、SPI、CAN控制器、支持脈寬調制(PWM)的定時器、看門狗定時器、實時時鐘以及無縫的同步和異步存儲控制器。 多核DSP 飛思卡爾的MSC8144 DSP就是一個好的多核DSP的例子，MSC8144 DSP是基于該公司的的StarCore技術,即特定的第三代SC3400 DSP內核。 這種芯片集成了4個DSP子系統。每個子系統內都有SC3400 DSP內核、16k字節L1指令高速緩存、32k字節L1數據高速緩存、存儲器管理單元(MMU)、擴展的可編程中斷控制器(EPIC)以及兩個通用32位定時器。子系統支持調試和整形，具有低功率“等待”和“停止”處理模式。每個DSP內核運行速率高達1GHz，因此此芯片的性能與4GHz單核DSP的性能相當。 MSC8144還包含該公司的QUICC引擎技術子系統，包括兩個RISC處理器、48k字節多主機RAM以及48k字節指令RAM。這種子系統支持三個通信控制器，具有一種異步傳輸模式(ATM)和兩個吉比以太網接口。它也可以從DSP核下載預先安排的任務。 ATM控制器在UTOPIA/PO模式下以25/50MHz支持UTOPIA II級8/16位，適應層支持AAL0、AAL2和AAL5。兩個以太網控制器僅使用一個1000Mbit/s數據率4引腳串行器/并行器(SERDES)接口，通過MII/RMII/SMII/RGMII/SGMII和SGMII協議即可支持10/100/1000Mbit/s工作。 與前面提到過的DSP芯片一樣，這種芯片的DSP和QUICC子系統的外圍有存儲器、接口和I/O。至于存儲器，芯片包含128k字節L2共享指令緩存、用于關鍵數據和臨時數據緩沖的512k字節M2存儲器、96k字節引導ROM和一個龐大的10M字節128位寬M3存儲器。 芯片上也有DDR和DMA控制器。DDR控制器具有高達200MHz的時鐘(400MHz數據率)和16/32位數據總線。以一或兩個組，支持高達1G字節的DDR1和DDR2。DMA控制器具有16個雙向通道，高達1024緩沖描述符和可編程優先權、緩沖器和多路傳輸結構。 芯片級判優與開關系統(CLASS)提供處理部件(和其他啟動程序)與目標(如M2存儲器、DDR SRAM控制器和器件配置控制和狀態寄存器)之間的全部的制作非模塊化判優。 MSC8144支持下一代及傳統接口，如雙吉比以太網、Serial RapidIO互連、UTOPIA、PCI以及分時多路復用(TDM)。 Serial RapidIO 1×/4×端點符合RapidIO貿易協會的規范1.2。它支持讀、寫、信息、門鈴、入站模式的維護接入以及出站模式的信息和門鈴。PCI接口遵守PCI規范修訂版2.2，以33或66MHz讀寫所有PCI地址空間。 多達8個片上獨立的TDM模塊提供的特征有可編程字大小(2、4、8或者16位)、基于硬件的A法則/μ法則轉換、所有通道的數據率都高達128Mbit/s、與E1、或T1幀調節器無縫接口、與H-MVIP/H.110設備、TSI和編解碼器如AC97的接口能力。 由于有多核架構和下一代及傳統接口，MSC8144DSP非常適合大容量基礎設施應用。包括三用(語音、視頻和數據)業務、通過載波分類/企業語音互聯網協議(VoIP)媒體網關設備、視頻會議設備以及WCDMA和WiMAX基站。 |
