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Ti公司DSP芯片特色、技术发展历程和现状及其应用实例解析
一、Ti公司DSP芯片特色
特色
哈佛结构
哈佛结构是不一样于传统的冯·诺曼(VonNeuman)结构的并行系统结构,其主要特色是将程序和数据储存在不一样的储存空间中,即程序储存器和数据储存器是两个互相独立的储存
器,每个储存器独立编址,独立接见。与两个储存器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线,从而使数据的吞吐率提升了一倍。
为了进一步提升运转速度和灵巧性,TMS320系列DSP芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进,一是同意数据存放在程序储存器中,并被算术运算指令直接使用,加强了芯片的灵巧
性;二是指令储存在高速缓冲器(Cache)中,当执行此指令时,不需要再从储存器中读取指令,节约了一个指令周期的时间。
流水线
与哈佛结构相关,DSP芯片广泛采纳流水线以减少指令执行时间,从而加强了办理器的办理能力。TMS320系列办理器的流水线深度从2~6级不等。也就是说,办理器可以并行办理2~6条指令,每条指令处于流水线上的不一样阶段。
专用的硬件乘法器
TMS320系列DSP芯片中拥有一个专用的硬件乘法器,用1~4条指令就能完成一次乘法和
一次加法运算,所以,在一个指令周期内可完成乘法运算,而在通用的微处器中,乘法指令是靠一系列加法来实现的,所以,TMS320系列DSP乘法速度远远高于通用微办理器。
特其余DSP指令
利用DSP的特别指令可以将多条指令才能完成的功能用一条指令来完成,这样可大大提升运算速度。
快速的指令周期
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哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特别的DSP指令再加上集成电路的优化设
计,可使DSP芯片的指令周期在200ms以下。
丰富的指令系统
TMS320C31-40的汇编语言指令集特别合适于数字信号办理。全部指令占一个机器字长,
大部分指令是单周器的。指令集共有113条指令,可以分为六类:数据传递类、二操作数算术
/逻辑类、三操作数算术/逻辑类、程序控制类、互锁操作类及并行操作类。12条数据传递指
令可从储存器中读一个字装入存放器,将一个字从存放器中存入储存器中及进行货仓操作。二
操作数指令有35条,供给整数、浮点、逻辑运算及多精度算术操作。17条三操作数指令可以
在一个指令周期内完成拥有三个操作数的运算,此中两个是源操作数,另一个是目的操作数。
程序控制指令共16条,它们影响程序的流向,此中有块重复指令RPTB和单指令重复指令
RPTS。除了有标准跳转指令外,还有延缓跳转指令,有些指令拥有条件运算功能。5条互锁操
作指令主要用来进行多办理器之间的通讯。剩下的28条指令都是并行操作指令,每条并行指
令由两条指令用符号“‖”连接,并行操作指令可使“‖”前后的两条指令并行完成。需要注意的是,其实不是任意两条指令都可构成并行指令。
硬件结构特色
1核心CPU
TMS320C5XCPU的加强功能在提升性能和通用性的同时,保持了对TMS320C1X和TMS320C2X源
代码的兼容性。硬件的改进包含:一个32位累加器缓冲器,附带定标能力,利用附带硬件功
能的新指令。新的控制功能包含:独立的并行逻辑单元(PLU)和一组文本交换存放器。数据
管理方面的改进包含:采纳新的块搬移指令和储存器映像存放器指令。TMS320C50有28个存
储器映像存放器和16个储存器映像的I/O口。
TMS320C50拥有2K×16位遮蔽ROM,内部固化了指引程序。该储存器把程序从外面
ROM/EPROM、串行口或并行I/O口指引至运转速度较快的SRAM中。这块指引ROM可经过PMST
状态存放器中的MP/MC\位从程序储存空间去除。假如该ROM未选,则TMS320C50由片外储存
器启动执行。
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TMS320C50拥有1056字的片内RAM,这块RAM可在每个机器周期内接见两次(双寻址
RAM),只要两次接见不是“写”操作。这块储存空间主要用于储存数据,但是假如需要也可
用于储存程序和数据。其配置有两种方式:全部的1056字都作为数据储存区,也许将此中的
544字作为数据储存器,512字作为程序储存区。可经过状态存放器ST1中的CNF位选择设
置。
TMS320C50还拥有9K字的片内RAM。这一储存区可以由软件设置映照到程序或数据储存空
间。程序从片外储存器指引后,可装入到该储存区全速运转。
TMS320C50可以经过可障蔽选择来保护片内储存器的内容。当相关比特置位时,外面没法接见
片内储存空间。
软件等候状态逻辑不需要任何外面硬件就可以实现
TMS320C50与速度较慢的片外储存器和I/O
设备接口。该电路系统拥有
16个等候状态发生器,此中可由用户编程操作的有
0,1,2,3
和7状态。
TMS320C50共有64KI/O
口,此中的
16个可映照在数据储存空间。这些口可由
IN或OUT指令
寻址。拥有储存器映像的
I/O口可按储存器的读写方式接见。
I/O口的接见由
线选通。增
加简单的片外处址译码电路,即可实现
TMS320C50的I/O口与外面I/O设备的简单连接。
TMS320C50有两个高速串行口。串行口最快可按
1/4机器周期(CLKOUT1)操作。一个是同步
全双工串行口,发送和接收都有缓冲,分别由可障蔽外面中断信号控制,数据可依据
8或16
位方式传输;另一个串行口为全双工串口,可设置为同步方式,也可设置为时分多址(
TDM)
方式,TDM串行口一般用于多办理机系统。
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位硬件准时器可由软件进行控制,经过设置相应的状态位,准时器可工作在停止、重启动、复位或不工作等状态。
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TMS320C50有4个外面中断线。片内的中断锁存电路可实现异步中断操作。其余,还有部中断:1个准时器中断和4个串行口中断。
5个内
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JTAG扫描逻辑电路用于仿真和测试,采纳JTAG可实此刻线仿真。
二、发展历史和现状
从1978年出现的第一个单片
DSP以来,DSP芯片在这20几年来获取了高速发展,DSP
芯片的应用也愈来愈广泛,依据其用途可分为通用型
DSP芯片和专用型DSP芯片;按基础特征
分为静态DSP芯片和一致性DSP芯片;按数据格式分为定点
DSP芯片和浮点DSP芯片。
美国德州仪器公司(
TexasInstruments,简称TI)推出的TMS系列DSP芯片已经成为此刻
世界上最有影响的
DSP芯片[2],TI公司在1982年推出第一代DSP芯片TMS3201×、
TMS320C1X系列,随后推出第二代
DSP芯片TMS3202×、TMS320C2X系列,第三代DSP芯片
TMS320C3X系列,第四代DSP芯片TMS320C4X系列,第五代DSP芯片TMS320C5X系列,第六代
DSP芯片TMS320C6X系列。
第一代TMS320系列DSP芯片TMS320C1X是定点DSP芯片,采纳二级流水线;
第二代TMS320系列DSP芯片TMS320C2X系列是定点
DSP芯片,采纳三级流水线;
第三代TMS320系列DSP芯片TMS320C3X系列芯片是浮点
DSP芯片,采纳四级流水线;
第四代TMS320系列DSP芯片TMS320C4X系列芯片是浮点
DSP芯片,采纳五级流水线;
第五代TMS320系列DSP芯片TMS320C5X系列芯片是定点
DSP芯片,采纳四级流水线;
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第六代TMS320系列DSP芯片TMS320C6X系列芯是一种新式定点与以前的DSP芯片不一样,内部集成了多个功能单元,可同时执行
DSP芯片,该芯片的内部结构
8条指令,运算能力达
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1600MIPS。
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美国AD公司的DSP芯片
AD公司的DSP芯片可以分为定点DSP芯片和浮点DSP芯片两大类。ADSP21XX系列为定
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点DSP芯片,
ADSP21XXX系列为浮点
DSP芯片。目前,定点
DSP芯片主要有
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ADSP2101/2103/2105,ASDP2111/2115,ADSP2161/2162/2163/2164/2165/2166
以及
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ADSP2171/2173/2181等。浮点DSP芯片主要有ADSP21000/21020,ADSP21060/21062等。
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AD公司的定点DSP芯片的程序字长为24位,数据字长为16为丰富的硬件资源,一般拥有2个串行口、1个内部准时器和
位。运算速度较快,内部拥有较
3个以上的外面中断源,其余还
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供给8位EPROM程序指引方式。拥有一套高效的指令集,如无开支循环、多功能指令、条件
执行等。
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ADSP2101的指令周期有
80ns、60ns
和
50ns
三种,内部有
2K字的程序
RAM和
1K字的数据
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RAM。ADSP2103与
ADSP2101对比,指令周期为
100ns,工作电压为
。ADSP2105是
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ADSP2101的简化,指令周期为
72ns,内部的程序
RAM为
1K字,数据
RAM为
512字,串行口
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减为1个。
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ADSP216X系列的指令周期为50ns~100ns,与其余定点芯片对比,拥有较大的内部程序ROM,
如ADSP2161/2163内部供给了8K的程序ROM,ADSP2162/2164内部供给4K程序ROM,,这些芯片的内部数据RAM均为512字。而ADSP2165/2166除了拥有1K字的程序
ROM外,还供给了12K字的程序RAM和4K字的数据RAM,此中,ADSP2166的工作电压为
。
ADSP2171的指令周期为30ns,,是AD公司DSP芯片中运算速度最快的定点芯片之一。内部拥有2K字的程序RAM和2K字的数据RAM。ADSP2173的资源与ADSP2171同样,。
目前ADSP的定点DSP芯片中,办理能力最强的当数ADSP2181。
AT&T公司DSP芯片
AT&T是第一家推出高性能浮点DSP芯片的公司。AT&T公司的DSP芯片包含定点和浮点两大
类。定点DSP芯片中有代表性的主要包含DSP16、DSP16A、DSP16C、DSP1610和DSP1616等。
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浮点DSP芯片中比较有代表性的包含DSP32、DSP32C和DSP3210等。
AT&T定点DSP芯片的程序和数据字长均为
16位,有2个精度为36位的累加器,1个深度为
15字的指令Cache,支持最多
127次的无开支循环。DSP16的指令周期为55ns和75ns,累加
器长度为36位,片内有
2K字的程序ROM和512字的数据RAM。DSP16A速度最快的版本为
25ns的指令周期,片内有
12K字的程序ROM和2K字的数据RAM。
,片内储存器资源与
DSP16A同样,增加了片内的Codec,其余,还有1个4引脚的
JTAG仿真口。DSP1610片内有
512字的指引ROM和8K字的双口RAM,支持硬件和软件等候状
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态。DSP1616片内有
12K字的
ROM和
2K字的双口
RAM,支持软件等候状态。
DSP1610和
1616
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供给了仿真接口。
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DSP32C是DSP32的加强型,是性能较优的一种浮点DSP芯片。其主要特色包含:
(180/100ns的指令周期;
(2地址和数据总线可以在单个指令周期内接见4次;
(3片内拥有3个512字的RAM块,或2个512字的RAM块加1个4K字的ROM块。可以寻址
4M字的外面储存器;
(4拥有串行和并行I/O接口。串行I/O采纳双缓冲,支持8/16/24/32位串行数据传输,外面
微办理器可以控制DSP32C的8/16位并行口;
(5采纳专用的浮点格式,可在单周期内与IEEE-754浮点格式进行变换;
(6拥有4个40位精度的累加器和22个通用存放器;
(7支持无开支循环和硬件等候状态。
DSP3210内部拥有2个1K字的RAM块和512字的指引ROM,外面寻址空间达4G字节,可以用
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软件编程产生等候状态,拥有串行口、准时器、
DMA控制器和一个与
Motorola
和
Intel
微处
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理器兼容的
32位总线接口。
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Motorola公司DSP芯片
Motorola公司的DSP芯片可分为定点、浮点和专用三种。
定点DSP芯片以MC56000、MC56001、MC56002为代表。程序和数据字长为
24位,有2个精度
为56位的累加器。DSP56001的指令周期为60ns和74ns两种。片内拥有
512字的程序RAM、
512字的数据RAM和512字的数据ROM。三个分开的储存器空间,每个均可寻址
64K字。片内
32字的指引程序可以从外面
EPROM装入程序。支持8位异步和8~24位同步串行I/O接口。并
行接口可与外面微办理器接口,支持硬件和软件等候状态产生。
MC56000是ROM型的DSP芯
片,内部拥有2K字的程序ROM。MC56002则是一个低功耗型芯片,可以在
~
内工作。
浮点DSP芯片以MC96002为代表,采纳IEEE-754标准浮点格式,累加器精度达96位,可支持
双精度浮点数。该芯片的指令周期为50/60/74ns。片内有3个32位地址总线和5个32位数
据总线。内部拥有1K字的程序RAM、1K字的数据RAM和1K字的数据ROM。64字的指引ROM可
以从外面8位EPROM指引程序。内部拥有10个96位或30个32位基于存放器的累加器。支
持无开支循环、硬件和软件等候状态产生。拥有三个独立的储存空间,每个空间可寻址4G
字。
MC56200是一种基于MC56001DSP核,合适于自适应滤波的专用定点DSP芯片,指令周期为
,程序字长和数据字长分别为24位和16位。内部的程序和数据RAM均为256字,累加
器精度为40位。MC56156则是一个在片内集成了过取样?-D话带Codec模数变换器和锁相环
的DSP芯片,主要用于蜂窝电话等通讯应用,其指令周期为33/50ns。
除了以上介绍的一些DSP芯片以外,还有一些公司的DSP芯片也较有名。比方NEC公司的mPD77C25、mPD77220定点DSP芯片和mPD77240浮点DSP芯片等。
三、应用实例
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正弦信号发生器
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正弦函数six可表示为指数形式
(
由此可以获取正弦序列
(
的z变换
(
在|z|>1时成立,且式中的
设单位冲击序列经过一系统后,其输出为正弦序列c=sin(kωT)则系统的传达函数为
(
就是正弦序列sin(kωT)的Z变换,即
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求其极点为
(
由上式可以看出,是一对复根,其幅值为1,相角为ωT。幅值为1的极点对应一个数字振荡器,其振荡频率由系数A、B和C来决定。所以,设计振荡器主要就在于确立这些系数。由式(
设初始值为0,求上式的Z反变换,得
(
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这是个二阶差分方程,其单位冲击响应即为sin(kωT)。利用单位冲击函数
x[k-1]
的性
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质,即仅当k=1时,x[k-1]=1,代入上式得:
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当k>2,y[k]能用y[k-1]和y[k-2]算出,这是一个递归的差分方程。
正弦波信号发生器的设计与实现
依据上述数字振荡器的原理,一个正弦波序列可以经过递归方法获取,系数A、B和C一
旦确立后,代入上式即可获取希望频率的正弦序列。下边依据数字振荡器的原理在
TMS320VC5402设计一正弦波信号发生器,并使用汇编语言完成源程序的编写。
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羈袆
蚆螀
羃蒂
莂羆
荿蒈
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