关于DSP芯片功能的扩展

只看该作者 · 2014-7-29 16:12

数字信号处理器(DSP)做某些模拟工作比模拟电路要出色，因此得以生存。在某些情况下，由于成本或复杂性的原因，任务甚至不能考虑用模拟电路，DSP仍然是一种可行的选择，在很多情况下可以轻松地完成那些任务。

这是因为DSP进行算术运算既好又快，如加法和乘法。聪明的数学家和工程师利用了这一实际，通过创造算法来解决主要采用两种数?运算的复杂的信号处理任务。

如今的DSP芯片不仅仅只是一个优秀的处理引擎。芯片上还集成了存储子系统、高速接口、I/O等等。增加这些部件的目的是为了提高整体性能，降低功耗以及针对特殊的处理任务。

为了更好地理解各种DSP芯片的可用选项以及器件各部分是如何配合作为一个整体，分析当今市场上几种有代表性的DSP是有帮助的。我们将仔细研究单核、单核加微控制器以及多核DSP芯片的例子。

单核DSP芯片

认为DSP芯片有一个单DSP核是很自然的，例如，TI的TMS320C6?52(图1)。此芯片是高性能固点DSP的TMS320C6?x+家族的一员，针对工艺密集的多通道电信基础设施和医用成像系统。DSP核只不过是芯片设计的一部分，芯片的其余部分还包括存储器、I/O以及其他功能模块。 C6?52 DSP集成了组织为两级存储子系统的片上存储器。一级(L1)程序和数据存储器每个都是32k字节。此存储器可配置为映射RAM、高速缓存，或者两者的某种组合。
当配置为高速缓存时，L1程序(L1P)是一个直接映射高速缓存，而L1数据(L1D)是一个双向指令集结合高速缓存。二级(L2)存储在程序与数据空间之间共享。L2存储也能配置为映射RAM、高速缓存或者两者的某种组合。设计师可使用片上存储器为其项目增加特色。

C6?52还包括两个串行吉比特媒体独立接口(SGMII)以太媒体接入控制(MAC)口和一个吉比特开关。此开关通过自动监控数据流以确保只有一个合适的TI将决策门加到所能的开关上，例如，用来辨别语音和数据通信，以提高多芯片设计的效率。如果DSP全部用于语音处理，就会阻止数据流进入，这样可更有效地使用其处理带宽。此外，器件具有两个电信串行接口端(TSIP)，可无缝连接至常见电信串行数据流。

C6?52上的其他I/O有一个66MHz PCI接口或通用主机端接口(UHPI);一个到外部存储器的双数据率(DDR2)接口;TI开发的专利串行通信接口VLYNQ;一个16位外部存储器接口(EMIFA);一个多通道通用音频串行口(McASP);以及其他熟悉的接口。从此DSP的I/O判断，可以肯定它是用于电信应用。其他应用用的是不同的I/O。

C6?52和TI其他几款DSP的核心是C6?x mega模块，其组成包括几个元件：C6?x+处理器、L1程序和数据存储控制器、L2存储控制器、内部DMA(IDMA)、中断控制器、掉电控制器以及外部存储控制器(图2)。Mega模块还支持对L1P、L1D和L2存储器的存储保护。此外还提供mega模块资源的带宽管理。
模块上的C6?x+处理器是一非常快速的DSP，工作速率可达1.2GHz。它采用8个功能模块、两个寄存器文件以及两个数据路径。在这八个功能单元中，有两个是乘法器或者M单元。每个M单元在每个时钟周期执行四次16位×16位乘法-累加(MAC)。

因此，在C6?x+核上，每个周期可执行8次16位×16位MAC。在1.2GHz时钟速率下，每秒钟可发生9600次16位MMAC。此外，C6?x+核的每个乘法器每个时钟周期可计算一次32位×32位MAC或者四次8位×8位MAC。顺便提一下，C6?52不是以900M的最快的速度工作。

C6?x+处理器的新特征有一个令人钟爱的名字SPLOOP。这一小型指令缓冲器有助于创建软件流水线操作环路，在这些环路中并行执行环路的多次迭代。SPLOOP缓冲器减小了有关软件流水线操作的代码大小。

DSP+微控制器芯片

只看该作者 · 2014-7-29 16:13

另一类DSP在芯片上附加微控制器核。有时，为一个分离的核，如ARM处理器。有的情况下，处理器核同时包含DSP和MCU功能。这种情况就是众所周知的模拟器件公司(ADI)的Blackfin DSP架构。

Blackfin是基于具有混合16/32型指令集架构的10级RISC MCU/DSP流水线，包括双16位MAC DSP指令和一个32位类似于RISC的指令集。这种组合提供信号处理功能，具有与通用处理器有关的使用方便的特点。Blackfin处理器架构完全兼容SIMD(单指令多数据)并包括视频与图像处理加速指令。
这种处理属性组合使Blackfin处理器与其同类产品不同。他们被设计为在信号处理和控制处理应用方面工作都非常好，在很多情况下，设计中无需独立的异类处理器。Blackfin处理器在单核产品中速率高达756MHz。

除本地支持8位数据外，8位数据字长是很多像素处理算法常用的，Blackfin架构包括专门定义的指令，用于在视频处理应用中增强性能。例如，"SUM ABSOLUTE DIFFERENCE"指令支持用于视频压缩算法(如MPEG2、MPEG4和JPEG)的运动估算算法。

这种架构处理多长度指令编码。非常常用的控制型指令被编码为紧凑的16位字，更多算术密集的信号处理指令编码为32位值。处理器将16位控制指令与32位信号处理指令混合并连接成6?位组，以使存储器容量最大化。缓冲和取指令时，内核完全自动挑选总线长度，因为内核没有调整约束。
所有Blackfin处理器，如ADSP-BF523，都包含独立的DMA控制器，支持自动数据传输，而对处理器内核的操作压力很小(图3)。DMA传输可发生在内部存储器与许多具备可直接存储器存取(DMA)功能外设的任何部分之间。传输也能发生在外设和接至外部存储器接口的外部器件之间，包括SDRAM控制器和异步存储控制器。
存储器架构包括L1和L2存储器块。L1存储器直接连接到处理器内核，以全系统时钟速度运行，为时间关键的算法部分提供最佳系统性能。此外，L1存储器也可配置为SRAM、高速缓冲存储器或者两者的组合。

通过同时支持SRAM和高速缓冲存储器编程模型，系统设计师可分配关键的要求高带宽和到SRAM低存取的实时信号处理数据集合，同时在高速缓存中存储“软”实时控制和操作系统(OS)任务。L2存储器是一更大的大容量存储器存贮区，性能稍有降低，但仍快于片外存储器。
每个Blackfin处理器都采用了多种功率节省技术，这些技术都是基于选通时钟内核设计，可以在逐条指令的基础上选择性地降低功能单元功率。针对需要很少或不需要CPU活动的周期，这些处理器也支持多种降低功率模式。

在这种自约束动态功率管理方案中，可独立控制工作频率和电压，满足当前执行算法的性能要求。大多数Blackfin处理器提供片上内核稳压电路，提供低至0.8V电压工作，特别适合要求电池寿命延长的便携式应用。
Blackfin处理器可配合多种微控制器型外设，包括10/100Ethernet MAC、UARTs、SPI、CAN控制器、支持脉宽调制(PWM)的定时器、看门狗定时器、实时时钟以及无缝的同步和异步存储控制器。
多核DSP
飞思卡尔的MSC8144 DSP就是一个好的多核DSP的例子，MSC8144 DSP是基于该公司的的StarCore技术,即特定的第三代SC3400 DSP内核。
这种芯片集成了4个DSP子系统。每个子系统内都有SC3400 DSP内核、16k字节L1指令高速缓存、32k字节L1数据高速缓存、存储器管理单元(MMU)、扩展的可编程中断控制器(EPIC)以及两个通用32位定时器。子系统支持调试和整形，具有低功率“等待”和“停止”处理模式。每个DSP内核运行速率高达1GHz，因此此芯片的性能与4GHz单核DSP的性能相当。

MSC8144还包含该公司的QUICC引擎技术子系统，包括两个RISC处理器、48k字节多主机RAM以及48k字节指令RAM。这种子系统支持三个通信控制器，具有一种异步传输模式(ATM)和两个吉比以太网接口。它也可以从DSP核下载预先安排的任务。

ATM控制器在UTOPIA/PO模式下以25/50MHz支持UTOPIA II级8/16位，适应层支持AAL0、AAL2和AAL5。两个以太网控制器仅使用一个1000Mbit/s数据率4引脚串行器/并行器(SERDES)接口，通过MII/RMII/SMII/RGMII/SGMII和SGMII协议即可支持10/100/1000Mbit/s工作。
与前面提到过的DSP芯片一样，这种芯片的DSP和QUICC子系统的外围有存储器、接口和I/O。至于存储器，芯片包含128k字节L2共享指令缓存、用于关键数据和临时数据缓冲的512k字节M2存储器、96k字节引导ROM和一个庞大的10M字节128位宽M3存储器。

芯片上也有DDR和DMA控制器。DDR控制器具有高达200MHz的时钟(400MHz数据率)和16/32位数据总线。以一或两个组，支持高达1G字节的DDR1和DDR2。DMA控制器具有16个双向通道，高达1024缓冲描述符和可编程优先权、缓冲器和多路传输结构。

芯片级判优与开关系统(CLASS)提供处理部件(和其他启动程序)与目标(如M2存储器、DDR SRAM控制器和器件配置控制和状态寄存器)之间的全部的制作非模块化判优。

MSC8144支持下一代及传统接口，如双吉比以太网、Serial RapidIO互连、UTOPIA、PCI以及分时多路复用(TDM)。

Serial RapidIO 1×/4×端点符合RapidIO贸易协会的规范1.2。它支持读、写、信息、门铃、入站模式的维护接入以及出站模式的信息和门铃。PCI接口遵守PCI规范修订版2.2，以33或66MHz读写所有PCI地址空间。

多达8个片上独立的TDM模块提供的特征有可编程字大小(2、4、8或者16位)、基于硬件的A法则/μ法则转换、所有通道的数据率都高达128Mbit/s、与E1、或T1帧调节器无缝接口、与H-MVIP/H.110设备、TSI和编解码器如AC'97的接口能力。

由于有多核架构和下一代及传统接口，MSC8144DSP非常适合大容量基础设施应用。包括三用(语音、视频和数据)业务、通过载波分类/企业语音互联网协议(VoIP)媒体网关设备、视频会议设备以及WCDMA和WiMAX基站。