2020年TMS320C54X和ADSP218X性能比较论文

TMS320C54x和ADSP218x性能比较论文 从1982年第一片数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）TMS320C10产生以来，经过二十年的发展，DSP以其卓越的性能、独有的特点，已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。业内人干预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素，它将 _变革人们的作、学习和生活方式。 DSP689具有两种算术结构：定点和浮点。从理论上讲，虽然浮点DSP的动态范围比定点DSP大，且更适合于DSP的应用场合，但定点运算的DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耦电较省。定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前销售的DSP器件中的80%以上属于16位定点可编程DSP器件。其中，TI公司的TMS320C54X系列和ADI公司的ADSP-218X系列是目前广泛使用的主流定点DSP芯片。下面就以它们为研究对象，结合Geffe发生器7和MD5算法的实现，对其性能进行分析比较。由于TI的TMS320VC5402和ADI的ADSP-2186N是使用较多的两款，硬件性能指标又相近，有很好的可比性，所以编程实现时选择它们为具体芯片。虽然两款DSP芯片都提供C编译器，但是因为效率都不高，这里我们就不作讨论。下面的论述都是基于直接用汇编语言编程的。 先简单介绍一眄两个算法。Geffe发生器是一种密钥序列发生器，它利用线性反馈移位寄存器（Linear Feedback Shift Register,LFSR）产生序列密码。Geffe发生器使用了三个LFSR，它们以非线性方式结合，其中两个LFSR作为复合器的输入，第三个LFSR控制复合器的输出。因为运算量很大，所以LFSR用软件实现起来比较慢，但是用汇编语言实现比用C语言实现快。 MD5（MD，即Message Digest）是一个单向散列函数，它对输入消息产生128位散列值（或消息摘要）。该算法需要进行大量的移位和逻辑操作，用DSP实现比较方便。 2.1 硬件结构145 TMS320C54X系列采用改进的Harvard结构体系，有一组程序总线和三组数据总线、高度并行性的算术逻辑单元ALU、乘法/累加器MAC、桶形移位器、缓冲串口、专用硬件逻辑、片内存储器、片内外设和高度专业化的指令集等等。支持32位长操作数指令，支持并行存储和并行装入的算术指令。 ADSP-218X系列借装了TMS320X系列的优缺点，重新设计。它也是采用改进的Harvard结构体系。ALUMAC、桶形移位器这三个独立的运算部件均可以单周期操作。还有丰富的双缓冲串口、中断（分外中断和内中断）等。在TMS320C54x系列中，程序存储区和数据存储区是混在一起的，而ADSP-218X系列从物理上就将两者分开，这就使多功能指令操作显得非常方便。因此，ADSP-218X系列程序实现更有高效性。 两款芯片主要技术指标的比较如表1所示。 比较项目MIPSCycle Time/nsRAM/千字TMS320C54X3053233.31.885640ADSP-218X33803012.58104 2.2 程序编程2346 下面分别用TMS320VC5402和ADSP-2186N实现Geffe发生器和MD5算法，以此来比较两款芯片在编程过程中的优劣。其中，Geffe发生器产生96字的序列，MD5处理的消息长63个字。 2.2.1 指令系统概述 ADSP-2186N指令系统使用代数符号来表示算术运算和数据传送，源代码具有较高的可读性，且不会损坏运行特性。它的指令系统很精简，程序员可以快速掌握。ADSP-2186N的编程方式和高级语言类似，如果用户有高级语言编程的经验，上手较快。 TMS320VC5402指令系统很丰富，灵活多变，虽然使用时很方便，但是完全掌握却有一定的困难，这对程序员来说是个不小的难题。它的指令系统有传统的助记符和代数符号两种方式，程序员可以根据所好任选一种。助记符方式对于习惯了汇编语言的开者易于接受，代数符号方式则表达简洁、较为直观、易于理解。但是，合作完成项目时，往往会由于不同的程序员选择不同的格式而造成麻烦。解决的方法有两个，一是使用TI提供的转换工具，另一是只将两者的obj文件链接调试，但调试时有些方便。 另外，两者的编译环境也有差别。相比较而言，ADSP-2186N的界面要友好一些，它和VC+非常相像，很方便。 2.2.2 指令的“单周期性” ADSP-2186N的每条程序语言都汇编成仅需一个执行周期的24位指令机器码。它完全在并行处理方式下工作，所有的指令都是真正的单周期指令。除了访问慢速的外部存储设备，或者外部存储器出现控制权竞争而需要附加周期的情况外，任何指令的运行一般仅需一个周期。由于它的指令系统没什么“禁忌”，所以程序员大可像编写高级语言程序一样，只需要考虑算法如何实现，至于编程过程就可以不太注意。 可是，TMS320VC5402的指令系统却不是这样。TMS320VC5402的各个单元是基于流水线方式的结构，指令按流水线 方式工作。它的大多数指令在单独执行时并不能在一个周期内完成，只是在流水线方式下工作或重复操作的，才可以做到平均每一个周期执行一条指令。因此，在它的指令系统中，不仅有不少的指令需要多个执行周期，而且由于“时延”的原因，如果处理的不好，还会出现额外的附加周期。因此为了保证每条指令准确执行，有时就不得不把程序打乱，就是说，相关联的几条语句要分散插入别的地方。程序的模块化遭到损害，显得杂乱无章，大大影响了可读性。 如下面语句中的句1、句2、句3、句4（选自Geffe发生器）是我们实际应用的形式（指令用代数符号格式，下面如果不特别指出，均为这要您）。 m_seq_ll: ；标号 b=a & #1 ;句1 if(aeq)goto m_seq_12 ;句2，if a=0,goto m_seq_12 a=a1 ;句3 if(beq)goto m_seq_11 ;句4，if b=0,goto m_seq_11 m_seq_12: 但是，它们正常语序则应该为 m_seq_11: ;标号 a=a1 ；句3（若这样，a的初始值随之改变） if(aeq)goto m_seq_12 ;句2，if a=0,goto m_seq_12 b=a & #1 ;句1 if(beq)goto m_seq_11 ；句4，if b=0,goto m_seq_l1 m_seq_l2： 不过，若以正常语序执行if语句时，a、b的值会因为时延不够，来不及改变而导致程序出错。为避免这种情况，要么在句3和句2以及句1和句4之间分别加上若干个空操作（nop），这样就会影响速度；要么调整它们的顺序，如实际应用中的句1、句2、句3、句4.有时候，语句顺序实在无法调整，就不得不加上一些空操作。尤其是循环的主体部分，往往一条语句处理的不好，就会导致整个程序多运行成千上万条指令。因此，TMS320C54系列编程对程序员的要求较高，必须非常熟悉指令系统，才可以得到高效的程序。 2.2.3 对数组的循环操作 关于对数组进行循环操作，两者平分秋色。它们都支持寄存器地址自动加减。只不过ADSP-2186N的调试界面看上去更直观些。 2.2.4 对32位长操作数操作 ADSP-2186N不支持32位操作，如果需要的话，必须多条指令共同完成。而TMS320VC5402经过简单的设置，就可以直接进行一些32位操作。 例如，MD5算法中4轮主循环都需要大量的32位逻辑运算及加法操作。 表2示出“与”运算和加法的实例，显然，用TMS320VC-2186N实现时，必须将32位分为高16位和16位分别操作，最后再整合。这也是为什么在实现MD5算法时，用ADSP-2186N实现不如TMS320VC5402有效的主要原因。 实现32位与运算实现32位加法运算TMS320VC5402实现a=db1(*ar2); b=b & a; b=b+db1(*ar1);b=db1(*ar3);ADSP-2186N实现ay0=DM(i0,m1); ar=ax0 and ay0, ay1=DM(i0,m1); sr0=ar; sr1=ar;ay0=DM(i0,m1); AR=AX0+AY0, ay1=DM(i0,m1); AR=AX1+AY1+C,AX0=AR; AR; AX1=AR; 另外，两者在编程时还有一些不同，例如，TMS320VC5402有标号必须顶格写等要求。总的来说，TMS320VC5402指令系统中有不少的“禁忌”，需要经验积累才可以发现，这就给编程者带来了不便。两款DSP芯片实现Geffe发生器和MD5算法的具体结果如表3所示。 比较项目程序大小/字需要指令周期数需要时间/sGeffe发生器TMS320VC5402 ADSP-2186N252 188444,816 268,2994,448.16 3,353.74MD5算法TMS320VC5402 ADSP-2186N900 3,00934.00 37.61 可以看出，实现Geffe发生器时，ADSP-2186N较快，主要是因为其指令系统的单周期性；实现MD5算法时，TMS320VC5402稍快，主要原因是它支持32位操作。 2.3 其它 总而言之，从技术上看，ADSP-218X系列稍占优势。但目前的实际情况是：1999年TI占有全球DSP市场48%的份额，市场排名第一。2000年其市场占有率也是第二名的两倍多。尤其在中国，高层占有率在80%左右。主要原因如下： 第一是价格。性能相近的芯片，TI比ADI要便宜很多。如TMS320VC5402的单片价格为$5.66，ADSP-2186N的单片价格则为$8.50。从性价比看，TI占优势。从产品效益看，如果大指生产，显然TI的芯片实惠。 第二是服务。这里指的是指生产商提供的服务。TI公司有非常完善的服务体系，从产品宣传到课程培训，非常齐全。ADI公司这方面略有不足。 第三是第三方服务。市场上支持TI芯片的第三方服务要比支持ADI的多，这也是由于TI芯片的市场占有率高的缘故。反过来，大量支持TI芯片的第三方服务，又保证了TI芯片的市场占有率。两者是相辅相成的关系。 第四是继承性。DSP芯片有其特殊性，不同公司的芯片，其编程方式差异很大。因此，程序员一旦熟悉了一种芯