（计算机应用技术专业论文）16位定点dsp软核的设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 基于d s p 的快速发展，上海大学微电子中心和北京东世半导体科技有限公 司联合开展项目“1 6 位定点数字信号处理器d s p d l 6 的设计”。本论文来自于此 项目的内核设计。 本文首先介绍了数字信号处理技术和数字信号处理器的发展，然后重点介绍 了数字信号处理算法的特点以及由此确定的通用数字信号处理器的基本要求和 一般结构。 论文对比分析了目前三款较为成熟的定点d s p ，分别是1 1 公司的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、a d 公司的a d s p 2 l x x 系列和m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 8 0 0 系列。在此基础上确定了d s p d l 6 与t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列相兼容的体 系结构，包括指令系统、存储器结构和寻址方式等。 根据所确定的d s p d l 6 的体系结构和通用数字信号处理器对数据路径的基 本要求，完成数据路径的结构设计。对于d s p d l 6 控制通路的设计，作者参阅了 大量资料，并充分考虑了d s p d l 6 指令系统的特点，完成了流水线的设计、流水 线相关问题的处理以及指令译码电路的设计。力求在规模不过大的情况下性能最 佳。 在论文的最后介绍了d s p d l 6 内核设计的r t l 级仿真。给出了r t l 仿真验 证的测试策略，并提供了五个d s p d l 6 典型指令的仿真波形和简单分析。这说明 了d s p d l 6 采用的自顶向下的设计方法是成功而且高效的。 关键词：数字信号处理器，软核，数据路径，指令流水线，r t l 级仿真 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i md s pf a s td e v e l o p m e n t ，s h a n g h a iu n i v e r s i t ym i c r o e l e c t r o n i c sc e n t e r u n i t e st od e v e l o pt h ep r o j e c t ”t h ed e s i g no f1 6 - b i tf i x e d - p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d s p d l 6 ”w i t hb e i j i n ge a s t e r as c i e n c e & t e c h n o l o g yc o l t d t h i sd i s s e r t a t i o n c o m e sf r o mt h ed e s i g no f c o r e i n t r o d u c ef i r s tt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n dt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，a n di n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a r i t h m e t i ca n dt h eb a s i cr e q u e s ta n dt h es t r u c t u r eo fg e n e r a ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t h ed i s s e r t a t i o nc o n t r a s ta n da n a l y z et h r e em a t u r ef i x e d p o i n td s p ，r e s p e c t i v e l y t s 3 2 0 c 2 0 0 0s e r i e so ft i a d s p 2 1 x xs e r i e so fa da n dd s p 5 6 8 0 0s e r i e so f m o t o r o l a b a s e do nt h i st h ed i s s e r t a t i o nd e s i g nt h ea r c h i t e c t u r eo fd s p d l 6 ，w h i c h i n e l u d ei n s t r u c t i o ns y s t e ma n dm e m o r ys t r u c t u r ea n di s f u l lc o m p a t i b l e 埘t 1 1 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0s e r i e so f t i a c c o r d i n gt ot h ea r c h i t e c t u r eo fd s p d l 6a n dt h eb a s i cr e q u e s to fg e n e r a ld i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rt od a t a p a t h ，c o m p l e t et h ec o n s t r u c t i o nd e s i g no ft h ed a t a p a t h a st o d e s i g no fd s p d l 6c o n t r 0 1 1 0 9 i c t h ea u t h o rr e f e r r e dt om a n yd o c u m e n t sa n d c o n s i d e r e dc h a r a c t e r i s t i c so fd s p d l 6i n s t r u c t i o ns y s t e mf u l l y t h e nc o m p l e t et h e d e s i g no fi n s t r u c t i o n p i p e l i n e ，s e t t l e m e n to fp i p e l i n eh a z a r da n dd e s i g no fi n s t r u c t i o n d e c o d ec i r c u i t i t so b j e c t i v ei sa c h i e v et h eb e s tf u n c t i o na n ds m a l ls c a l e i nd i s s e r t a t i o nf i n a l l yi n t r o d u c er t l 1 e v e ls i m u l a t i o no ft h ed e s i g no fd s p d l 6 c o r e g i v i n gt h et e s ts t r a t e g yo ft h er t l 1 e v e ls i m u l a t i o n 。a n dp r o v i d e ds i m u l a t i o n w a v ew i t hs i m p l ea n a l y s i so f f i v ed s p d l 6 st y p i c a li n s t r u c t i o n t h er e s u l ts h o w st h a t t h et o p d o w nd e s i g nm e t h o d o l o g ya d o p t e db yd s p d l 6i ss u c c e s s f u la n de f f i c i e n t k e y w o r d ：d s p ，s o f t c o r e ，d a t a p a t h ，i n s t r u c t i o np i p e l i n e ，r t ll e v e ls i m u l a t i o n e 海大学硕i 学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名_日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：e t 期： l 海夫学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及其意义 传统上，数字信号处理技术在高速通信设备、高清晰度计算机图形、嵌入式 系统以及军事方面应用较多。其中调制解调器、蜂窝电话、音频设备和磁盘伺服 系统是九十年代数字信号处理芯片厂商激烈争夺的市场，进入到本世纪，更为激 烈的竞争将发生在高速宽带数据通信、a d s l 调制解调、3 g 移动通讯和个人无 线接入( b l u e t o o t h ) 等系统领域。特别是今后几乎所有的消费类电子产品都将 转向数字化，d s p ( 数字信号处理器) 正是这些产品中的核心关键器件，使用d s p 不仅可以在系统中增加更多的功能和特性，并且可以提高整个产品的性能和质 量，极大的提高产品的竞争力。 但是，就目前而言，国内的d s p 设计无论是设计方法，设计思想和设计工 具都还处于起步阶段。同时真正可以进入实用，面对市场的d s p 芯片也几乎没 有。电子产品的核心部件d s p 长期依赖国外。因此发展我国的具有自主版权的 d s p 设计技术，以及相应的d s p 系统设计技术与应用能力，将大大增加我国在 先进数字信号处理器体系结构设计技术方面的技术实力。加快各种具有自主版权 的实用产品的研制发展速度，并且使产品具有我们自己的独特风格和功能，极大 的提高产品的竞争力，这无论在经济上，社会效益上以及国家安全上都有着非常 重大的意义。 鉴于这种现状，上海大学微电子中心和北京东世半导体科技有限公司联合开 展了项目“1 6 位定点数字信号处理器d s p d l 6 的设计”。d s p d l 6 是一款低价格， 高性能1 6 位定点运算d s p 。它的设计目标不仅是可以作为中低档d s p 芯片广泛 应用于各个领域，也可以作为高档单片机的理想替代品。它的应用领域包括汽车 电子、消费电子、工业控制、通信和语音处理等各个方面。 本课题来自于作者在此项目中参与的d s p d l 6 内核的设计。 1 2 论文的主要工作 论文采用自顶向下的正向设计方法，完成了d s p d l 6 内核的体系结构设计以 4 上海人学硕i ：学位论义 及数据路径和控制通路的设计。 主要工作有： 根据数字信号处理算法的特点以及d s p 芯片低功耗、低成本、实时性等要 求，来设计d s p d l 6 的体系结构。同时对比t i 公司，a d 公司和m o t o r o l a 公司 的相关定点d s p ，分析三者各自所采用的体系结构以及各自体系结构的实现，找 出各自的优缺点，作为d s p d l 6 的参考和借鉴。 在d s p d l 6 确定的体系结构的基础上，进行数据路径的结构设计。根据指令 系统的特点，存储器的设置，总线的设置以及寻址的方式来设计采用什么样的执 行部件来实现数字信号处理程序以及以采取何种形式安排这些执行部件达到最 佳的性能。其中包括寻址方式的实现、程序定序器的设计、中央算术运算单元的 设计、中断的处理以及数据地址的产生等。 对指令流水线和指令译码电路的设计做了比较多的阐述。从理论上讲述了指 令流水线的设计方法，并通过这个方法设计d s p d l 6 的四级指令流水线。重点分 析了指令流水线中的三个相关问题，分析了它们产生的原因，对系统性能的影响 以及各种解决办法。根据d s p d l 6 的特点，选择了合适的解决方法来处理d s p d l 6 的三个流水线相关问题，并且达到了很好的效果。 在指令译码电路中，充分分析了d s p d l 6 指令系统。并根据指令系统的特点 在指令译码电路中采取了指令预分析和指令分时译码的技术，既有效的减小了指 令译码有限状态机的规模，同时指令译码也可以分为不同的功能块分阶段的运行 并且可以很好的和所设计的指令流水线协调工作。 在代码设计完成后，进行了r t l 级的仿真验证。按照指令和功能块进行分 类测试。对于操作数的选择，考虑了各种特殊的数据，也考虑到了数据的全面性。 1 3 论文的安排 论文的第一章为绪论，简单介绍了本研究课题的目的、意义以及课题研究的 工作，论文的安排。 论文的第二章简单介绍了数字信号处理技术的基本知识，以及数字信号处理 器的特点、应用与发展。 沦文的第三章介绍了三款比较成熟的定点d s p ，分析了它们的体系结构和各 自体系结构的实现。 论文的第四章介绍了d s p d l 6 采用的体系结构，包括指令集，寻址方式，指 令格式，存储器构成和内部总线等。 r 海人学城【：学位论文 论文的第五章比较详细的介绍了d s p d l 6 数据路径的各个执行部件的设计 以及总体结构。 论文的第六章重点讲述了d s p d l 6 控制通路的设计，包括指令流水线的设计 和指令译码电路的设计。 论文的第七章介绍了d s p d l 6 软核的r t l 级仿真验证，并且给出了几条典 型指令的仿真波形，使读者更直观的感觉d s p d l 6 内核的设计所采取的方法。 论文的第八章是对全文的总结。 6 一 瀚 大学颇i ：举位论文 第二章数字信号处理器 2 。1 数字信号处理 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是一门涉及诲多学攀萼薅又广泛应 用于许多领域的新兴学科。2 0 世筑6 0 年代以来随着计算机和倍息技术的飞速 发展，数字信号处理技术成运丽生并褥到迅速的发展。在避去的二十多年融阉里， 数字信号处理已经在数字通信、语音、音频、生物医学信弩处理和机器人技术等 许多领域中得到广泛的应用。表2 1 给出了数字傣号处理技术的一些应用概括。 表2 - l 数字信号处理的廊埘 应用顿域d s p 算法 遴箱镞域溱波秘卷秘、耋适疲滤波、检弱霉| 投潦、谱佳诗帮簿立* 1 变换 语音处理编码和解码、加密和解密、语街识别幂合成、扬声器识别、回波消除、 入造耳蜗撬入静信母处理 音频处理h i - f i 编码和解码、噪声消除、音频平衡、环境声学仿真、混频和编辑、 声彗合成 豳豫处理压缩和解艨缩、旋转、图像佟输与分解、图像谈捌、匿像增强、人造视 网膜植入的信号处理 售惠系统谬鸯蔼籍、传囊、 瓣穰簿调篓、蜂窝移动电话、灞澍，瓣涌、线路均簿器、 数据加密莉l 解密、数学通信和局域网、延拓频谱技术、光线局域刚、j 摄积电视 控制伺服控制、磁盘控斜、打印机控制、发动机控制、定向希i 导航、搬动控 制、动力系统监控器、自动化仪器仪表 佼表设备液遮藏銎、波形发生器、瞬态分辑、稳态分辑、科学仅器设备、露运翱 声纳 数字僖号娃璎是囊臻诗算氛或专曩处理设备，瑷数字形式j ( 圣镶号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需臻的信母形式。 数字售号处理方法已经发疑成为项成熟熙技术，并且在诲多应弱领域逐步我替 了传统的模拟信号处理方法。图2 。1 就是热型的数字信号处理系统。数字信号处 理系统具巍几项优势，铡盎妥：元嚣俘对瀑发交姥、老化以及对吝诤馕差的不敏感 性。 7 上海大学硕士学位论文 弱2 l 典壁羲孚偿号整理累统 数字信号处理发展到现在，已经有四十多年的历史。它的实现方法也在逐步 的发震，从通用到专用，速度越来越快，精度越来越裹。从总体上两言，数字信 号处理的实现方法般有以下几种： ( 1 ) 、在通用的计算机( 如p c 机) 上用软 牛( 如f o r t r a n 、c 语言) 实现： ( 2 ) 、在通用计算机系统中加上专用的加遮处理器蜜现； ( 3 ) 、用通用的单片机( 如m c s 一5 l 、9 6 系列等) 灾现，这种方法可用于 一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等； ( 4 ) 、用通用的数字信号处理器实现。与单片机相比，数字信号处理器具 帮更掬适合于数字信号簸理静软件和硬件资源，w 用于簸杂静数字信号怒理算 法。 ( 5 ) 、用专爝静数字信号楚瑾器芯片实现。在一些辩特定场合，要求静信 母处理速度极高，用通用数字信号处理器芯片很滩实现，例如专用于f f t 、数字 滤波、卷祓、辐关等算法戆数字僚号楚璎器芯片，这释蕊片将鞠寝懿售号经理冀 法在芯片内部用硬件实现，无需进行编稷。 在上述赘死秘方法孛，第l 静方法静缺点是逮发较蠖，一簸誓雳予数字信号 处理算法的模拟：第2 种和第5 种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2 种 方法也不蠖子系绞熬独立运孑；繁3 秘方法只适筏子实瑷麓单麴数字售号处理算 法；只有第4 种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。 有嚣会事 譬擒速了数字售号处理技术豹发震。其一怒c o o l e y 翻t u r k e y l 9 6 5 年对一种计算离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 的有效算法 的解密。它极大的促进了数字信号处理的理论发鼹；另一个里程赡就是可编程数 字信号处理器在2 0 世纪7 0 年代后期的引入。这种数字信号处理器能够在仅仅一 个对钟周期内完成( 定点数) “乘累加”豹计算，与同一时代“冯诺伊曼”式徽处 瑕器为基础的系统相比较而言，裔着本质上的改进。它的如现将联论研究结果广 泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以蓬 不夸张圭| i 浇，数字信号处理器芯片的诞鼙三及发震j i = | 近2 0 年来通信、计算梳、控 制等领域的技术发展起到十分重凝的作用。 8 * 上海大学硕j ：学位论文 2 2 数字信号处理器 数字信号处瓒器是为进行数字信号处理而设计的微处理器。它不仅符含数字 搭号处理箕法的要求，同时也符合数字傣号处理中大数据量，高速度，离精确性 和实时性的要求。数字信号处理器是随着数字信肇处理技术一同发展起来的。而 嗣时，数字信号处理的应用领域迅速扩大与数字信号处理器的发展密不可分。 为了快速地实现数字信号处聪运算，数字信譬处理器般都采用特殊豹软硬 件结构。这些特点使得数字信号处理器可以实现快速的数字信号处理运算，并使 大部分运算( 铡如乘法) 能够在一个指令溺赣内究成。l 圭l 予数字信号楚瑾耱本身 也是处理器，因此同样具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。 2 2 1 数字信号处理器的基本要求 在过去的几牮中，各种各样的数字信号处理方法层出不穷。数字信号处理酶 应用领域也是多种多样的。但从根本上来说，数字信号处理基本上是从两个方面 来解决数牢信号静处理阐题：一个是时域方法，邵数字滤波：另一个是频域方法， 即频谱分析。数字信号处理的任务大致分三类： ( t ) 、卷积：蘑予备释滤波器，辩给定菝誊藏围豹漾始蔼鼍送行翻工( 逶 邀或滤除) 来提黼信噪比。 2 ) 、稻关：震予信号逡较，去豫瓣辊事俘嚣藏大潼复豹蘩号。 ( 3 ) 、变换：用于分析信号的频率内容，寻找特征“指纹”。 瑟卷稷，程荚粒变换这些售譬处理舅法熬圭装特点是： ( 1 ) 、包含大量数据。 ( 2 ) 、弱楼数据多次镬曩。 ( 3 ) 、存夜反馈路径。 ( 4 ) 、都有快速黍麴这样瓣基本运纂。 ( 5 ) 、大量中间数攒需要存储和管理。 ( 6 ) 、涉及大量地皱产生。 ( 7 ) 、算法基本上针对并行计算。 数字信号处蠼器所关注的就是这些数字信号处理算法的特点以及如何最高 效的实现这些算法。 在实际应用中可以选用的数字信号处理实现方法很多。通用微处理器也能完 成绝大多数的数字信号簸理任务，例如可以完成那些既包含了运簿，也氛含了与 数据有关联的控制操作的混合处理任务，从程序存储器的一个区域跳转到相隔较 9 - + 二海大学顿 ：擘经论义 避的区域，从存储器中连续取出数据等。然而传统的数字信号处理中最常见的运 簿，是对连续存耱静数爨傣浚骰踅复戆慕藤运雾。这样熟运算蟊暴垂遥愆擞楚理 器来实现，虽然也能完成但是会肖大量时间浪费猩各方两的控制上。这既不符合 数字蔷号憝理赛时毽熬要求邈大大影确了处理嚣躲效率。虽然道耀鼗签骥器氇熬 完成数字信号处理中的备种运算，但是使用数字信号处瑗器，即艇有特殊结构的 处理器，慕宠或数字售鼍处理运箨，其：溱度毙弼速羯楚逡器更抉，效率瞧曼毫。 这是因为，数字傣号处理器采用了些缨构上的措施来加速信号处理所特有的一 魑运算数速瘦。 根攒数字信号处理算法盼要求，数簪信号处理器一般应具肖如下主要特点： 1 ) 在一个指令周期魂可完成一次乘法却一次加法； ( 2 ) 程序和数据空闻分开，可戳随时谤闯指令和毅据： 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线崔两块巾同时访问； ( 4 ) 其寄低开镝或无开镑循环及虢转的磋停支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； 话) 基存在攀瓣麓蠹_ 鼹佟静多个硬辞熬蛙产垒耩； ( 7 ) 可以劳行执行多个操作； f s ) 支持藏拳线襟瘁，镬褒搔、译码秘捷霄等攥终可戳鲎叠撬行。 2 ，2 2 霪数字僖号鲶理器缝稳匏萋求 数字信号处理器的结构就是针对数字信号处理算法模型进彳予构造的，几乎所 鬻的数字信号处毽器帮魏含了数字信号链理算法靛特征，它霞j 帮霄裰磊静基本藜 构。 赞对数字蕊号楚理算法熬将点，设诗了不藏予殷翡诗彝系统嚣瑟特结棱： 2 2 。2 t 多脊髓、多总线彗擒( h a r v a r d 蹬攥结揍) 这愚数字信母处理器与一般微处理器的重要区别。 晗佛结构德个重赘特点簸怒在一个祝器掇令周期癌可戳宠成多个存储嚣 访问。出予数字信号处理中一个最主要的操作是浆累加的乘法操作，一次需要有 至少2 个搛作数避行乘法运算，掰戮必颓霄专门瓣硬俘为其提供怒够翡撩作数繁 宽，保证乘法的操作数同时到达。 簧绞懿运矮处理嚣筏矮泻诺依曼存辕筵稳，在这矜麓祷串，存一个存耱窆 间通过两条总线( 一条地址总线和一条数掘总线) 连接到处理器内核，将指令、 一1 0 * 上海丈学碳士学位论文 数据存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地妇j = 来区分是指令 还是数据，懿爱2 - 2 ( a ) 掰示。取指令霸敬数掇帮访蠲弱一存镰器，数撂霉睦辜 低。这种结构不能满足乘累加运算必须在个指令周期中对存储器进行多次访问 懿要求。 ( a ) 玛诺受结构 ( b ) 哈佛结构 ( c ) 增强喻佛结构 图2 - 2 处理器存储结拗 而晗佛结构刚是不同于传统的冯诺依曼结构的并行体系结梅，如图2 - 2 c o ) 所示，其主要特点是将程序和数掇存储在不同的存储空间中，即糨序存储器和数 瓣存储器建两个糨互独立的存储器，每个存储嚣独立编攮，独立访问。处理器内 核通过两套总线( 程序总线和数搬总线) 与这些存储空间相连，允许对存储器同 l 尊遂行两访闯，这释安稀可蔽使褥处理嚣虢带宽鞠倍。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储糕在两个分开的空间中，因此程序运行 时辍指令耱执行g 完全重覆运幸亍。褥对予数字萤号处理蕊主要操律乘累魏瓣乘法 操作，一次需要有至少2 个操作数进行乘法运算，这就需要处理器提供足够的操 佟数豢宽。大多数瓣数字信号处纛器内帮熬设羲了多条数攥慧线，瑷覆瑟来在每 个机器指令周期完成多个数据存储器访问，从而提供进行乘累加操作需要的操作 上海人学硕j ：学位论文 数。因此为了进一步提高运行速度和灵活性，可以在基本哈佛结构的基础上进行 改进，也就是增强哈佛结构如图2 2 ( c ) 所示，它可以提供多个程序与数据存 储器，并且允许数据存放在程序存储器中，而且可以被算术运算指令直接使用， 这样的处理方式大大增强了数字信号处理芯片的灵活性。 虽然现代高性能通用处理器通常具有两个片上超高速缓冲存储器，一个存放 数据，一个存放指令。从理论的角度上讲，这种双重片上高速缓存与总线连接等 同于哈佛结构，但是，通用处理器要使用控制逻辑来确定哪些数据和指令字驻留 在片上高速缓存里，而且这个过程通常不为程序设计者所见，但是在数字信号处 理器中，程序设计者能明确的控制哪些数据和指令被存储在片上的存储单元或缓 存中。 2 2 2 2 数字信号处理器专用硬件 针对数字信号处理算法的特点，数字信号处理器设计了几个完全不同于通用 微处理器的专用硬件，它们可以快速的进行数字信号处理中的一些运算，包括乘 累加，数据地址产生和数据移位等。 这些数字信号处理器专用硬件有： ( 1 ) 、快速乘加器：用于数字信号处理中大量的乘加运算，采用并行的阵 列乘法器和乘法累加器( m a c ) 。 ( 2 ) ，多功能逻辑运算单元( a l u ) ：要求与快速乘法器和移位器密切协 同工作。 ( 3 ) 、专用地址产生器( a d d r e s sg e n e r a t o r ) ：用于程序环路共同需要的数 据地址。可独立自动产生这些地址，而不依靠a l u 的低效工作。 ( 4 ) 、指令顺序器( i n s t r u c t i o ns e q u e n c e ) ：要求既能够执行共同的数字信 号处理指令顺序，又不增加程序环路、跳转等硬件的开销。 ( 6 ) 、快速移位器；用于定标控制，一般采用的是并行的桶式移位器( b a r r e l s h i t i e r ) 。 2 2 2 3 结构并行与流水线寄存器 在流水线处理器运行时，用这些寄存器来保存流水线的中间数据和控制信号 从而保证流水线的逐步执行和处理器的并行操作，同时保证上述所有单元都能够 相互独立工作，并通过流水线寄存器或共享的总线交换数据。 一1 2 l 海人学硕= k 学位论文 2 2 2 4 各种专用寄存器 根据各种数字信号处理器任务的需要设置，例如用于堆栈的先进后出 ( f i l o ) 存储器、用于数据排队和程序预取的先进先出( f i f o ) 存储器、用于 程序或常数存储的只读存储器( r o m ) ，以及各种类型的静态随机存储器 ( s r a m ) ，如：同步异步r a m ，单口双口或多口r a m 等等。 2 2 3 数字信号处理器的发展 世界上第一个单片数字信号处理器应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 11 ， 1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是数字信号处理器的一个主要 里程碑。这两种芯片内部都没有现代数字信号处理器所必须有的单周期乘法器。 1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的肛p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用数字信号处 理器。 在这之后，最成功的数字信号处理器当数美国德州仪器公司( t e x a s i n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出其第一代数字 信号处理器t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 11 、t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出了第二代数字信号处理器t m s 3 2 0 2 0 、1 m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ， 第三代数字信号处理器t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代数字信号处理器 t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代数字信号处理器t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代数字信号 处理器的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片数字信号处理器于一体的高性能数字信 号处理器t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代数字信号处理器 t m s 3 2 0 c 6 2 ) ( c 6 7 x 等。如今，t i 公司的一系列产品已经成为当今世界上最有影 响的数字信号处理器。t i 公司也成为世界上最大的数字信号处理器供应商。其 数字信号处理器市场份额占全世界份额近5 0 。 第一个采用c m o s 工艺生产浮点数字信号处理器的是日本的h i t a c h i 公司， 它于1 9 8 2 年推出了浮点数字信号处理器。1 9 8 3 年日本f u j i t s u 公司推出的 m b 8 7 6 4 ，其指令周期为】2 0 n s ，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了 一个大的飞跃。而第一个高性能浮点数字信号处理器应是a t & t 公司于1 9 8 4 年 推出的d s p 3 2 。 与其他公司相比，m o t o r o l a 公司在推出数字信号处理器方面相对较晚。1 9 8 6 年，该公司推出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼 容的浮点数字信号处理器m c 9 6 0 0 2 。 美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，简称a d ) 在数字信号处理器市场上也 上海犬学颊：b 学位论文 占有一定的份额，相继推出了一系列有自已l 特点的数字信号处理器，其寇点数字 僖号娃理瓣有a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、a d s p 2 ll1 2 t 5 、a d s p 2 t 6 1 2 1 6 2 2 1 6 4 戳 及a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 等，浮点数字信号处理器有a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、 a 羚s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 自1 9 8 0 年以来，数字信号处理器得到了突飞猛进的发展，数字信号处理器 鲍痘建越来越广泛。扶运辣速疫上来看，m a c 辩阗已经从2 0 世纪8 0 年代奶的 4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 l o ) 降低到了1 0 n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 等) ，处理能力提 舔了几十倍。数字信号处理冀内部关键靛乘法器部件从1 9 8 0 冬豹占摸片区的 4 0 左右下降到现在的5 以下，片内r a m 数爨增加了一个数鬃级以上。从制 遗工艺上来看，1 9 8 0 年聚用4 9 m 的n 沟道m o s ( n m o s ) 工慧，而现在则普 遍采用亚微米c m o s 工慧。数字信号处瓒器芯片的引脚数量也驮1 9 8 0 年的最多 6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数爨的增加，意味麓结构炙活性的增加， 如外部存储器的扩展和赎瑾器闻斡通信等。此外，数字信譬处理器的发展傻数字 信号处理系统的成本、体积、重鼙和功耗都有很大程度的下降。总而言之，数字 傣弩处理器静发袋已经进入舞一个突飞獯进静时代。 2 2 。4 数字僖号处理器的袈静相关季塞标 数字楼号处理嚣 乍为灏向嵌入式应用麴处理器，它和般豹通用处理器有着 很大的区剐。它的设计要求是高速度，实时性，低成本和低功耗。 ( i ) d s p 芯片的运算遴度。运算速度馒d s p 芯片的一个最重要的性能指标， 主要包括：指令周期、m a c 时阀、f f t 执行时间、m i p s 、m o p s 、m f l o p s 、 b o p s 等： ( 2 ) d s p 芯片的硬件资源。爸捂片内r a m 、r a m 鲍数量、外部可扩震静程 序和数据空间、总线接口、i o 接口等； ( 3 ) d s p 芯片酌运算精度。一簸定点d s p 芯片漪字长淹1 6 位，也有2 4 4 藏字长的定点芯片。浮点芯片的字长一般为3 2 位，累加器为4 0 位； f 4 ，d s p 芯片瓣功耗。 一1 4 - 上海大学硕士学位论文 第三章各种定点数字信号处理器的比较 从理论上讲，虽然浮点定点数字信号处理器的动态范围比定点定点数字信 号处理器大，且更适合于定点数字信号处理器的应用场合，但定点运算的定点 数字信号处理器器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且功耗较低。因 此，定点运算的定点数字信号处理器仍是市场上的主流产品。据统计，目前销 售的定点数字信号处理器中的8 0 以上属于定点定点数字信号处理器器件，预 计今后的比重将逐渐增大。 目前国内外较为成熟的定点定点数字信号处理器产品有砸公司的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 8 0 0 系列、a d 公司的a d s p - 2 1 x x x 系列等。 3 1t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列是美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 研 制的定点d s p 系列，包括t m s 3 2 0 c 2 x 和t m s 3 2 0 c 2 x x 。 图3 - 1t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 结构简图 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列芯片内核包含中央算术逻辑单元、程序控制器、辅助寄 存器算术单元和等待状态发生器( 如图3 - 1 ) 。寻址方式有立即数寻址、直接寻 上海大学硕士学位论文 址和间接寻址。中央处理单元包括一个1 6 位定标移位器，一个1 6 1 6 的并行乘 法器，一个3 2 位的累加器和一个3 2 位的算术逻辑单元。程序控制器包括程序计 数器p c 、程序地址寄存器、深度为l 的微堆栈和深度为8 的堆栈。辅助寄存器 算术单元包括一个运算器和八个辅助寄存器，主要用于产生数据地址。等待状态 发生器用于慢速的外部存储器的数据与内部总线的数据交换。 内核主要特点是： ( 1 ) 、采用增强的哈佛结构，支持并行处理。共有六组内部总线，分别是 程序地址总线( p a b ) 、数据读地址总线( d r a b ) 、数据写地址总线( d w a b ) 、 程序读总线( p r d b ) 、数据读总线( d r d b ) 和数据写总线( d w e b ) 。 ( 2 ) 、包含8 个辅助寄存器，它们可以用作数据存储器的间接寻址和暂存， 从而增加了芯片的灵活性和效率。辅助寄存器组和辅助寄存器算术单元相连接， 在指令执行时可以直接通过辅助寄存器算术单元进行地址运算，而无需中央算术 逻辑单元参与地址操作，这样可让中央算术逻辑单元进行其他操作。 ( 3 ) 、乘法和加法单元是独立的，单周期可完成1 6 位1 6 位的并行乘一加 运算，支持1 6 位双向循环移位，支持多种移位方式。 ( 4 ) 、用硬件实现循环运算，可自动修改数据地址、计算循环次数和跳出 循环，从而实现零开销循环。 ( 5 ) 、支持位操作。 3 2a d 公司的a d s p 2 1 x x 系列 a d s p ：2 l x x 系列是美国a n a l o gd e v i c e s 公司研制的单片可编程高速数字信 号处理：芭：片，可广泛应用于各类高速数字信号处理。 a d s p 2 1 x x 系列芯片内核包含一个算术逻辑运算单元( a l u ) ，一个乘法 累加器( m a c ) ，一个桶形移位器，二个数据地址发生器和一个程序序列器( 如 图3 2 ) 。寻址方式有立即数寻址、寄存器直接寻址、存储器直接寻址、以及寄 存器间接寻址。对于a d s p 一2 1 9 x ，还有寄存器事后修改、立即修改、直接和间 接偏移寻址模式。其程序序列具有内部循环计数和循环堆栈，从而实现零开销循 环。每个地址发生器支持四个循环缓冲器，每个循环缓冲器又有三个寄存器，用 来定义循环的终点、长度和访问的地址。一个地址发生器支持位倒序寻址。 a d s p 一2 1 9 x 支持十六个循环缓冲器，通过使用一个地址发生器影子寄存器和一 组基寄存器，以增加循环缓冲的灵活性。a d s p 2 1 9 x 可以有条件地执行大多数 指令。其d ou n t i l 命令可以建立任意长度的指令序列，作四层嵌套循环。 1 6 上海大学硕士学位论文 a d s p 2 1 9 x 则支持八层嵌套。 a d s p 2 1 8 1 是美国a n a l o gd e v i c e s 公司a d s p 2 1 x x 系列1 6 位定点处理 器的高级产品，它不仅包含了a d s p 2 1 x x 系列的基本体系结构( 一个运算单 元、数据地址发生器和一个程序序列器) ，还含有两个串行口、一个1 6 位的内 部d m a 口，一个8 位的b d m a 口、一个可编程定时器、标志输入输出( h a g i o ) 、外部中断能力以及片内程序和数据存储器等周边设备。 图3 - 2a d s p 内核结构简图 a d s p - 2 1 8 1 采用增强的h a r v a r d 结构，程序和数据分别存储在程序存储器 和数据存储器中，并且程序存储器中也可以存储数据、其好处是1 个周期内可 以同时从程序存储器和数据存储器取操作数送到运算部件、程序存储器为 1 6 k x 2 4 b i t s ，数据存储器为1 6 k x l 6 b i t s 。，其主要特点如下： ( 1 ) 、共有五组总线，分别是：程序存储器地址总线( p m a ) 、数据存储器 地址总线( d m a ) 、程序存储器数据总线( p m d ) 、数据存储器数据总线( d m d ) 和用于内部数据传输的r 总线。还有一个p m d d m d 总线交换单元，允许程序 存储器数据和数据存储器数据直接交换。 ( 2 ) 、具有快速、灵活的运算。a d s p 2 1 8 1 提供的单周期运算有：乘法、 乘累加、任意量和方向的移位，以及标准的算术和逻辑操作。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 、采用硬件循环缓冲技术、对1 个操作数存取完成后，根据需要自动 修改地址指针，使指针自动指向下1 个操作数，修改步长由程序任意指定。 ( 4 ) 、乘法和加法单元是独立的，可以并行操作、并且乘累加有动态的 扩充范围：4 0 位m r 寄存器用于存储1 6 位数据相乘的累加和、该寄存器义可 以分为m r 0 ( 低1 6 位) 、m r l ( 中1 6 位) 、m r 2 ( 高8 位) 3 个寄存器，独立 使用、因此，少于2 5 6 次的溢出也不会影响计算结果。 ( 5 ) 、条件判断和转移中硬件实现，无额外的周期开销、条件判断和转移 只需1 个周期即可完成，不需要额外的指令。特别是，循环过程中，循环指令 1 次执行完毕，自动转移到循环开始执行，不需要转移指令。 ( 6 ) 、采用寄存器窗口技术、c p u 中有2 组寄存器：基本寄存器和备用寄 存器、但是同一时间只有1 组寄存器可存取、备用寄存器组可在快速内容切换 时被激活。这样，新任务( 如中断服务例程) 可以在不需把当前状态保存到存 储器的情况下快速执行。 3 3m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 8 0 0 系列 m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 8 0 0 系列是1 6 位的定点d s p ，主要有d s p 5 6 f 8 0 1 、 5 6 f 8 0 2 、5 6 f 8 0 3 、5 6 f 8 0 5 、5 6 f 8 0 7 以及5 6 f 8 2 4 、5 6 f 8 2 6 、5 6 f 8 2 7 等几种型号。 图3 - 3d s p 5 6 0 0 0 内核筒图 i ：海太学硕k 学位论史 5 6 8 0 0 系列1 6 位d s p 产品采用5 6 8 0 0h a w kv 1 内核。主要幽算术逻辑单元 a l u 、蟪疆产生荣元a g u 、程黟控毒l 擎元p c u 、总线积经搡俸擎元农痰部惑线 等几部分组成( 如图3 3 所示) 。算术逻辑单元包括3 个1 6 位的输入寄存器，2 个3 2 位载熏热嚣，2 令4 位豹鬃麴器扩溪毒存器，一令数攘限翻器彝一个荠章亍 的乘法累加单元m a c 等部分，数掘极值限制器用于d s p 中数据溢出是做饱和处 瑷。垃垃产生零元a g u 中主要菇4 个通爝遮垃露_ 莓器，个堆援指针，一个 地址偏移量寄存器和一个地址域寄存器，可以实现1 5 种寻址方式。程序控制器 p c u 包括程序计数器p c 、状态寄存器、运行模式寄存器以及专f 1 月于缀环类指 令的循环地址寄存器、循环次数汁数器和深度为2 的硬件堆栈。 该内核的主要特点是： ( 1 ) 、采用增强的哈佛结构，支持并行处理。共有7 组内部总线。分别是 三条内部地址总线x a b l 、x a b 2 和p a b ，四条内部数据总线c g d b 、p d b 、p g d b 和x d b 2 。其中，x a b l 、x a b 2 、c g d b 裙x d b 2 对应数据存储嚣的操依，p a b 和p d b 对应程序存储器的操作。p g d b 是外设全局数据总线。p g d b 和x a b l 可用于对外部存储器进行操作。 ( 2 ) 、支持位操作。位操俗单元可以对数据存储器、寄存器中的内容进行 梭溅、嚣位、位漓零蕺愚位懿转撵作。 ( 3 ) 、单周期可完成1 6 位x 1 6 位的并行乘一加运算，具有西个带有扩展位 魏3 6 短寄存器，支持1 6 经双窝徭环移使。 ( 4 ) 、支持硬件d o 和r e p 循环指令，从而实现零开销循环。 ( 5 ) 、支拷霹由爱户灵活定义懿多缴孛蘸德先缓。 ( 6 ) 、支持1 5 种不同的寻址方式。 3 4 小结 良上我们麓荤分褥了三款基应蘑眈鞍广泛瓣数字落号处纛秣。可戳看到， 由于三款数字信号处理器采用了不同的体系结构，它们有着不一样的指令系统， 寻垃方式褥存锉器空溺。它粕懿诗算橇鎏躐遣裁暴褡系结褥翡实魏也畜不少静差 别。比如t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列寻址方式简单，内核中没有独立的数据地址产生器， a d s p 一2 l x x 系列哭育美鳃总线，并显r