DS芯片的基本结构和特征

第2章DSP芯片的基本结构和特征2.1引言可编程DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，DSP芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。本章将首先介绍DSP芯片的基本结构，然后介绍TI公司的各种DSP芯片的特征，最后简要介绍其他公司的DSP芯片的特点。2.2DSP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。下面以TMS320系列为例介绍DSP芯片的基本结构。TMS320系列DSP芯片的基本结构包括：（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；（5）快速的指令周期。这些特点使得TMS320系列DSP芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算（例如乘法）能够在一个指令周期内完成。由于TMS320系列DSP芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。下面分别介绍这些特点是如何在TMS320系列DSP芯片中应用并使得芯片的功能得到加强的。2.2.1哈佛结构哈佛结构是不同于传统的冯·诺曼（VonNeuman）结构的并行体系结构，其主要特点是将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，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储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高了一倍。而冯·诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，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，TMS320系列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，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器（Cache）中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。如TMS320C30具有64个字的Cache。2.2.2流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。TMS320系列处理器的流水线深度从2~6级不等。第一代TMS320处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。也就是说，处理器CLKOUT1执行译码取指NN－1CLKOUT1执行译码取指NN－1N－2N＋1N－1N＋2NNN＋1图2.1三级流水线操作在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。例如，在第N个指令取指时，前一个指令即第N-1个指令正在译码，而第N-2个指令则正在执行。一般来说，流水线对用户是透明的。专用的硬件乘法器在一般形式的FIR滤波器中，乘法是DSP的重要组成部分。对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，DSP处理器的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成。相比而言，DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。在TMS320系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。从最早的TMS32023实现FIR的每个抽头算法可以看出，滤波器每个抽头需要一条乘法指令MPY：LT；装乘数到T寄存器DMOV；在存储器中移动数据以实现延迟旨MP英Y狮柳朗；相拐乘拨AP蹲AC帮罪帮；将讯乘法抢结果令加到读AC锦C伪中哥其他替三条碍指令盲用来爽将乘晴数装裙入到躲乘法雨器电肌路挣（腾LT能）颈，移袖动数杰据幻（D界MO裕V）丘以及火将乘碗法结暮果洒（插存在备乘积研寄存竟器忘P吨中面）迷加到左AC晶C红中奉（A句PA述C）伶。因吹此，萝若采园用离25均6桐抽头涉的凳FI梦R会滤波观器，刃这四尊条指庭令必哥须重咬复执辈行帅25箭6商次，稻且介25派6存次乘激法必鱼须在匹一个客抽样俱间隔南内完湿成。宣在典申型的纯通用咏微处难理器浑中，悦每个翻抽头科需要胆30虏~盆4免0定个指芳令周携期，贺而笑TM宗S3悄20同10症只需诞4振条指敌令。垂如果棋采用即特殊拒的旧DS件P社指令戏或采持用倘T足MS培32轧0C红54源X荐等新把一代鸭的乒DS炮P浸芯片滚，可蔑进一弃步降恩低礼FI睁R蔑抽头浸的计角算时件间。村2.线2.愿4援特钓殊的鞭DS弯P控指令傻DS饱P笛芯片布的另严一个叠特征披是采雄用特奶殊的派指令荡。挎2.禽2.秃3铜节中理介绍展的猜DM醉OV银就是挪一个统特殊留的值DS雅P扎指令昆，它扛完成阔数据伶移位叶功能闲。在稠数字尊信号活处理拳中，扭延迟自操作盐非常苍重要悬，这趋个延达迟就助是由阔DM坏OV鄙来实旧现的梨。山TM侮S3返20篇10戚中的腹另一隶个特升殊指慢令是励LT蛙D夺，它瓦在一怠个指员令周葛期内弃完成涉LT检、茅DM降OV控和创AP爆AC模三条泼指令或。藏LT屑D勇和尤MP鲁Y选指令年可以肿将狭FI勤R艳滤波浑器抽迷头计碌算从厉4撇条指枝令降蚕为当2纠条指训令。老在第暮二代肢处理旱器中救，如载TM碰S3变20个C2扫5首，增束加了衫2快条更出特殊缘的指捆令，制即冷RP回T袜和侍MA菠CD课指令痰，采饲用这誉2良条特申殊指产令，扛可以括进一兼步将蛋每个系抽头椒的运泊算指哨令数军从援2阿条降勾为锤1陡条：蹦RP坦TK捐特25坛5建登假；重顾复执刘行下否条指污令捧25筒6允次溪MA敏CD喷挥紫气；吗LT祖,羡DM拴OV山,况MP腐Y冠及秒A遍PA饭C驻2.穿2.角5漠快速股的指娘令周连期马哈佛碍结构畜、流机水线音操作生、专胳用的盯硬件恼乘法唐器、姥特殊敲的责DS颗P伸指令表再加咏上集厕成电粱路的隶优化总设计林，可击使朝DS够P灰芯片泡的指筝令周栋期在匪20氧0n健s索以弦下。瓦TM渠S3筋20仅系列队处理即器的土指令乎周期裹已经煌从第季一代驳的2晨00文ns卵降低喘至现迈在的仗2离0n缘s季以六下。特快速柿的指杂令周获期使肿得逢DS杯P省芯片恰能够赚实时呈实现叉许多蹄DS活P丝应用信。旅2.柏3奇T埋I蚂定点刃DS位P撒芯片牌自燥19年82智年胳TI夺推出恰第一另个定华点汇D附SP咏芯片湿TM排S3前20酱10魂以来狠，建TI懒的定冶点桨DS荣P燃芯片醋已经拆经历角了过TM窃S3狭20横C1钳X溉、缝TM命S3虫20拼C2销X/菌C2勿XX难、嫩TM锅S3僻20叔C5渗X亩、喂TM薯S3雁20楼C5稠4X优、框TM武S3防20灰C6眠2X透等几拍代产州品，抄产品历的性懂能价功格比润不断讯提高出，应哪用越促来越排广泛笼。下府面分荷别介泰绍这柴些芯渣片的翅主要晋特征盏。炼2.窗3.旷1旺T腐MS孩32渔0C泄1X营2.家3.旬1.狮1乖量基本瞎特点固第一页代捎TM持S3梦20废系列缓DS情P服芯片唐包括饿：祖TM庙S3摘20笑10绪、绍TM蒙S3怎20牲11俱、糊TM冠S3聋20们C1严0沈、时T脆MS渔32互0C昂15针/E图15撇和阵TM神S3遮20福C1栋7/晌E1婚7柄。其棉中，昆TM乏S3举20涉10住和备TM呜S3厦20小11叹采用听2.岔4苹m母的使N眠MO摆S巷工艺胆，而属其他孤几种糟则采烈用精1.珠8蛾m朱CM掏OS烘工艺顺。这耻些芯雾片的辰典型跨工作堡频率厘为阔20劣MH菊z达。唇TM查S3转20隔第一张代畏DS灭P聋芯片倾的主院要特瞒点如交下翁:SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h步指浪令周踏期：纷16帜0n乡s/绿20叙0n谜s/烤28渣0n矮sSYMBOL183\f"Symbol"\s10\h盗片铅内泻RA朽M涝：派14腥4饰字罩/2畅56忽字盒（T距MS慰32嚼0C晋15棚/E促15爪/C膛17记/E划17钩）SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h娃片惠内寨RO涛M驶：粘1.铅5K滥字闸/4衡K配字兄（T既MS顿32嚼0C貌15穴/C裙17悄）SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h炊置4K尊字片首内程附序散EP眨RO爱M（锯TM吗S3岭20蝇E1扬5/摘E1呢7）SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h挥藏4K厦字外载部全漫速存老储器带扩展SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h消并龟行乘柄法器翼：乘淡积为丝32筹位SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h断桶磁形移洞位器释：将男数据搞从存枣储器崭移到辞AL柳USYMBOL183\f"Symbol"\s10\h遵并边行移落位器SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h纲允沉许文纪本交丰换的载4荐×判12驱位堆北栈SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h巾两区个间摘接寻匪址的魔辅助季寄存圈器SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h雄双阳通道观串行遭口获（T狼MS嘴32汗01殊1,触TM之S3蹄20敌C1萄7/例E1冰7）SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h茅片沈内压码扩硬卧件杂（T吗MS帜32巧01春1,肃TM识S3温20热C1侍7/女E1陶7）SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h顿协皂处理萌器接宗口书（T翻MS侵32生0C乖17添/E送17暑）SYMBOL183\f"Symbol"\s10\h造器祖件封秀装：樱40罩脚双旬列直草插宫（D屋IP垃）/莫44饼脚塑让封佳（P舰LC服C）柿2.备3.惠1.词2掠T裕MS帐32售0C酬10刊TM脾S3倾20汉D违SP扬芯片絮的第友一代忧产品村是基叛于先TM遣S3接20烤10雕和它愧的们CM碧OS录版本毒TM梅S3阵20斧C1踏0道的结房构。想TM肾S3码20紫10望于刃19绩82烫年推化出，蹦是第挠一个分能够然达到互5光伤个纳MI扎PS创的微雀处理童器。恶TM笨S3周20撒10痕采用墨改进氧的哈他佛结参构，唉即程鬼序和财数据违空间辰相互抵独立腔。程扛序存锯储器漏可在口片内迎（1乌.5漏K庙字格）箭或片监外慧（4狼K版字绿）肆。片健内数宏据尸RA拘M方为结14找4概字。键有四燕个基变本的义算术哭单元踢：算模术逻牺辑单野元牵（A奶LU剖）址、累龄加器波（A柴CC升）挡、乘叙法器撑和移脾位器适。号(1葬)于AL严U项：苦32锻位数跨据操检作的卖通用龙算术寿逻辑委单元霉。么AL续U温可进着行加蜂、减岩和逻员辑运动算；脆(2斗)骨AC装C险：累封加器还存储巴AL拦U顷的输丝出，觉也是鄙AL骗U妇的一馆个输悉入。侦它采孤用评32晶位字偶长操么作，罩分高牛16赔位和移低件16逃位两炎部分日。处痒理器底提供叹高剃16补位和锦低乱16把位的络专门燥指令所：大SA恐CH随（竹高临16块位口）疲和芳SA疾CL杯（恼低熊16优位非）乖；随(3哀)辉乘必法器参：摘16丢×魂16惰位并碍行乘诉法器贞由三籍个单丑元组蔽成：退T餐寄存往器、醒P午寄存慎器和侧乘法终器阵小列。枕T粒寄存除器存胸储被叮乘数纹，窃P阅寄存那器存钱储咬32障位乘怪积。杏为了赚使用掏乘法液器，遭被乘霜数首沙先必竞须从聪数据镇RA杯M识中装虚入到忌T突寄存冒器，片可用椅LT旱、届LT麦A事和旺LT紧D滔指令博。然腔后执肉行漏MP仙Y（蝶乘变）坛或呜MP系YK颗（按乘立帅即数接）笔指令摇。乘扯和累捧加器甩操作岂可用剃LT瑞A灰、检LT桥D灿和艳MP路Y母、袜MP胖YK粥指令有在两鲁个指唉令周晕期内尘完成搞；狗(4汽)命移妹位器型：有车两个饲移位邮器可读用于控数据姿移位善。一帆个是渠桶形歉移位系器，似另一栽个是迹并行沃移位颤器。熔桶形隶移位爬器又嫌称定当标移军位器昏。当哀数据者存储咱器的晴数据盏送入直累加养器或管与累缎加器稠中的妈数据指进行溉运算芽时，么先通宵过这洒个移落位器饭进行困0膜~壁16彼位左光移，讲然后脸再进债行运榴算。扯并行苏移位纸器即疼输出昨移位克器，显其作绢用是顷将累文加器铅中的承数据覆左移酬0何、袄1圈或蛇4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