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DSP芯片介绍
文章导读:  DSP芯片,也称数字信号处理器,由于采用特殊的软硬件结构,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下一些主要特征[2]:在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;片内的快速RAM通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问;具有低开销或无开销的循环和跳转硬件支持;具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;可以并行执行多个操作; 支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。     以下是目前常用的DSP芯片的主要性能指标列表[6]:     另外,TI公司在原来已被人们熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320...
  DSP芯片,也称数字信号处理器,由于采用特殊的软硬件结构,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下一些主要特征[2]:在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;片内的快速RAM通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问;具有低开销或无开销的循环和跳转硬件支持;具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;可以并行执行多个操作; 支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
    以下是目前常用的DSP芯片的主要性能指标列表[6]:
    另外,TI公司在原来已被人们熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基础上发展了三种新的DSP系列,它们是:TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列,成为当前和未来相当长时期内TI DSP的主流产品。其中,TMS320C6000系列的速度已超过1G flops。
1.1、DSP芯片的基本结构
    为了快速地实现数字信号处理运算,DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。我们以TMX320C3x系列芯片为例介绍DSP芯片的基本结构。TMX320C3x系列芯片的基本结构包括[2]:(1)哈佛结构;(2)流水线操作;(3)专用的硬件乘法器;(4)特殊的DSP指令。这些特点使得TMX320C3x系列芯片可以实现快速的DSP运算,并使大部分DSP操作指令在一个周期内完成。下面分别介绍这些特点如何在TSM320C3x系列DSP芯片中应用并使得芯片的功能的到加强。
    哈佛结构
    传统的微处理器采用的冯·诺依曼(Von Neuman)结构将指令和数据存放在同一存储空间中,统一编址,指令和数据通过同一总线访问同一地址空间上的存储器[5]。而DSP芯片采用的哈佛结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种并行体系结构,其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器,每个存储器独立编制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的两条总线棗程序总线和数据总线,从而使数据的吞吐率提高了一倍。
    在哈佛结构中,由于程序和数据存储器在两个分开的空间里,因此取指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性,TMS320C3x DSP芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进,一是允许数据存放在程序存储器中,并能被算术运算指令直接使用,增强芯片的灵活性;二是增加了高速缓冲器(Cache),Cache中的指令在执行时不用再从存储器中读取,节约了一个指令周期,在TMS320C3x系列芯片中有64个字的Cache。高速缓冲器(Cache)的作用和算法请参看参考文献[5]P172~201,这里不予详述。
    流水线
    DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间,增强处理器的处理能力。TMS320C3x采用四级流水线,处理器可并行处理四条指令。TMS320C3x流水线结构的五个单元和它们的功能如下表:
表2、TMS320C3x流水线结构单元
  单元名称
功能
取指单元(Fetch Unit)
从存储器中取指令和调整程序计数器(PC)
译码单元(Decode Unit)
对指令字译码和产生地址
读单元(Read Unit)
从存储器中读操作数
执行单元(Execute Unit)
从寄存器组中读操作数,执行所需的操作,将结果写入寄存器组中或存储器中
DMA通道(DMA Channel)
读和写存储器
    基本指令分为四级:取指、译码、读和执行。当处理器并行处理四条指令使,各条指令处于流水线的不同单元。在不发生流水线冲突的情况下,具有流水线结构的处理器的长时间执行效率接近于没有流水线结构的处理器的四倍。流水线冲突和解决请参见参考文献{3}10-2到10-14;流水线的具体实现和算法请参见参考文献[5]P276 ~ 320 。一般来说,流水线对用户是透明的。
专用的硬件乘法器
    在通用微处理器中算法指令需要多个指令周期,如MCS-51的乘法指令需4个周期。相比而言,DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器,乘法可以在一个指令周期内完成,还可以与加法并行进行,完成一个乘法和一个加法只需一个指令周期。例如,在一般形式的FIR滤波器中,乘法是重用组成部分,对每个滤波器抽头,必须做一次乘法和一次加法:
FIR: LDF 0.0,R0 ;R0初始化
LDF 0.0,R1 ;R2初始化
RPTS N-1 ;建立重复
MPYF3 *AR0++,*AR1++(1)%,R0 ;R0=h(N-1-i)*x[n-(N-1-i)]
// ADDF3 R0,R2,R2 ;乘/累加
ADDF3 R0,R2,R0 ;加最后一个乘积
程序说明:
调用上述程序时,首先要初始化AR0、AR1、BK三个寄存器。其中AR0指向h(N-1),AR1指向x[n-(N-1)],BK=N,N为滤波器的阶数;滤波的结果放在寄存器R0中。可见,高速的乘法指令和并行操作大大提高DSP处理器的性能。
特殊的DSP指令
    DSP芯片的另一个特点是采用特殊的指令,这些特殊指令进一不提高了DSP芯片的处理能力。TMS320C3x主要有三类特殊指令:重复方式、延迟转移和并行指令。
    (1)重复方式允许实现过零循环。TMS320C3x有两条支持过零循环的指令:RPTB(重复一个程序模块)和RPTS(重复单条指令,仅通过一次取指来减轻总线拥挤)它们都是四周期指令,仅在第一次通过程序循环回路是产生四个周期的管理开销,以后所有通过循环回路的管理开销是零周期。当在重复方式中调整程序计数器时,三个寄存器与程序计数器的调整相联系,下表对这些寄存器进行了描述:
表3、重复方式寄存器
  寄存器
功能
RS 重复起始地址寄存器,持有重复程序模块的第一条指令的地址
RE 重复结束地址寄存器,持有重复程序模块的最后一条指令的地址
RC 重复结束计数寄存器,记录的数值为模块重复次数减1
RS在重复操作的下一条指令地址,RE在单指令重复操作中与RE相同。值得注意的是单指
令循环执行过程不被中断打断。以下提供两个小程序模块,说明重复操作的使用:
LDI 9H,RC ;重复10次
RPTB RPT_END ;RPT_END->RE,PC+1->RS
RPT_START ...
...
RPT_END ...
 
FPTS 9H ;重复10次,PC+1->RS,RE
...
    (2)TMS320C3x的转移能力主要包括标准转移和延迟转移。标准转移在执行转移之前是流水线变空,这导致标准转移的执行占据四个指令周期。而延迟转移则不使流水线变空,它保证随后的三条指令在程序计数器被转移修改前执行,而此时延迟指令悬空,并且禁止中断,执行完毕这三条指令。这样,延迟转移仅需一个周期。TMS320C3x的延迟转移是BcondD、BRD和DbcondD。
    (3)由于拥有专门的硬件乘法器、多个独立的地址产生器和相互独立的程序、数据总线。TMS320C3x具有多条不同方面的并行指令。这些并行操作指令组有高度并行操作能力,具有如下功能:
·寄存器并行装入
·并行算术运算
·并行算术/逻辑运算和存储运算
使用并行指令时要注意必须满足这些指令操作数的寻址要求。附录中列出了TMS320C3x的并行指令集。
    (4)值得一提的还有TMS320C3x提供的在片直接存储器寻址(DMA)控制器。DMA控制器能够在没有CPU干预下执行输入输出功能,从而减少CPU对执行输入输出功能的需要。
1.2、DSP芯片的应用
    现代数字信号处理器是执行高速数字信号处理的IC电路、它恰好适应多媒体信息化社会需求,迅速发展壮大。如今,世界电子器件市上,各种各样的DSP器件已相当丰富,大大小小封装形式的DSP器件,已广泛应用于各种产品的生产领域,而且DSP的应用领域仍在不断地扩大,发展迅速异常。DSP的应用主要有:
信号处理;
通信,如调制解调器、数据加密、数据压缩、扩频通信、纠错编码、可视电话等;
语音,如语音编码,语音识别、语音合成等;
图形/图象,如三维图象处理、图象压缩与传输、动画、机器人视觉等;
军事,如雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等;
自动控制,如引擎控制、声控、磁盘控制等;
家用电器,汽车电子系统及其它应用领域。
应用DSP的领域可以说是不胜枚举,电视会议系统里,也大量应用DSP器件。视听机器里
也都应用DSP。随着科学技术的发展,将会出现许许多多的DSP新应用领域。
更新日期:2013-05-02 11:01:41  浏览次数:1608次  作者:admin  【打印此页】  【关闭
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