DSP原理及应用第二章DSP的硬件结构总结(精)

第2章DSP的硬件结构

DSP的硬件结构：

DSP与标准微处理器有许多共同的地方，都是由CPU、存储器、总线、外设、接口、时钟组成。从广义上讲，可以说DSP是一种CPU。但DSP和一般的CPU 又有不同， DSP有自己的一些独特的特点，比如采用哈佛结构、流水线操作、独立的硬件乘法器、独立的DMA总线和控制器等。

Von Neuman结构与Harvard结构：

Harvard结构：程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度，目前的水平已达到90亿次浮点运算/秒（9000MFLOPS）。

MIPS--Million Instruction Per Second

MFLOPS--Million Floating Operation Per Second

流水操作（pipeline）：

独立的硬件乘法器：

在卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中，都有A(kB(n-k一类的运算，大量重复乘法和累加。

通用计算机的乘法用软件实现，用若干个机器周期。

DSP有硬件乘法器，用MAC指令（取数、乘法、累加）在单周期内完成。

独立的DMA总线和控制器：

有一组或多组独立的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作，数据的传递和处理可以独立进行，DMA内部总线与系统总线完全分开，避开了总线使用上的瓶颈。在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达800Mbyte/s。

CPU:

通用微处理器的CPU由ALU和CU组成，其算术运算和逻辑运算通过软件来实现，如加法需要10个机器周期，乘法是一系列的移位和加法，需要数十个机器周期。

DSP的CPU设置硬件乘法器，可以在单周期内完成乘法和累加.

移位:

通用微处理器的移位，每调用一次移位指令移动1-bit

DSP可以在一个机器周期内左移或右移多个bit，可以用来对数字定标，使之放大或缩小，以保证精度和防止溢出；还可以用来作定点数和浮点数之间的转换.

溢出:

通用CPU中，溢出发生后，设置溢出标志，不带符号位时回绕，带符号位时反相，带来很大的误差

DSP把移位输出的最高位（MSB）存放在一个位检测状态寄存器中，检测到MSB=1时，就通知下一次会发生溢出，可以采取措施防止.

数据地址发生器（DAG）:

在通用CPU中，数据地址的产生和数据的处理都由ALU来完成

在DSP中，设置了专门的数据地址发生器（实际上是专门的ALU），来产生所需要的数据地址，节省公共ALU的时间.

外设（peripherals）:

时钟发生器（振荡器与PLL）

定时器（Timer）

软件可编程等待状态发生器

通用I/O

同步串口（SSP）与异步串口（ASP）

JTAG扫描逻辑电路（IEEE 1149.1标准便于对DSP作片上的在线仿真和多DSP条件下的调试

’C54x的内部结构:

中央处理器CPU 、内部总线控制、特殊功能寄存器、数据存储器RAM 、程序存储器ROM、I/O功能扩展接口、串行口、、主机通信接口HPI、定时系统、中断系统。

各部分的功能：

①中央处理器CPU

采用了流水线指令执行结构和相应的并行处理结构，可在一个周期内对数据进行高速的算术运算和逻辑运算。

②内部总线结构

由一组程序总线、三组数据总线和四组地址总线组成，可在一个指令周期内产生两个数据存储地址，实现流水线并行数据处理。

③特殊功能寄存器

共有26个特殊功能寄存器，位于具有特殊功能的RAM区。主要用来对片内各功能模块进行管理、控制、监视。

④数据存储器RAM

DARAM：在一个指令周期内，可对其进行两次存取操作，即一次读出和一次写入；

SARAM：在一个指令周期内，只能进行一次存取操作。

⑤程序存储器ROM

可由ROM和RAM配置而成，即程序空间可以定义在ROM上，也可以定义在RAM中。

当需要高速运行的程序时，可将片外ROM中的程序调入到片内RAM中，以提高程序的运行速度，降低对外部ROM的速度要求，增强系统的整体抗干扰性能。

⑥ I/O口

’C54x共有两个通用I/O引脚（BIO和XF）。

BIO：主要用来监测外部设备的工作状态；

XF：用来给外部设备发送信号。

’C54x芯片还配有主机接口（HPI）、同步串行口和64K字I/O空间。

HPI和串行口可以通过设置，用作通用I/O。

64K字的I/O空间可通过外加缓冲器或锁存电路，配合外部I/O读写控制时序构成片外外设的控制电路。

⑦串行口

不同型号的’C54x芯片，所配置的串行口功能不同。可分为4种：单通道同步串行口SP、带缓冲器单通道同步串行口BSP、并行带缓冲器多通道同步串行口McBSP、时分多通道带缓冲器串行口TMD。

⑧主机接口HPI

HPI是一个与主机通信的并行接口，主要用于DSP与其它总线或CPU进行通信。信息可通过’C54x的片内存储器与主机进行数据交换。

不同型号的器件配置不同HPI口，可分为：8位标准HPI接口、8位增强型HPI接口、 16位增强型HPI接口。

⑨定时器

定时器是一个软件可编程的计数器，用来产生定时中断。

可通过设置特定的状态来控制定时器的停止、恢复、复位和禁止。

⑩中断系统

’C54x的中断系统具有硬件中断和软件中断。

硬件中断：由外围设备信号引起的中断。分为：片外外设引起的硬件中断；片内外设引起的硬件中断。

软件中断：由程序指令所引起的中断。

中断管理优先级：11~16个固定级。

TMS320C54x的CPU：

（1）采用先进的多总线结构，通过1组程序总线、3组数据总线和4组地址总线来实现。

（2）40位算术逻辑运算单元ALU，包括1个40位桶形移位寄存器和2个独立的40位累加器。

（3）17×17位并行乘法器，与40位专用加法器相连,可用于进行非流水线的单周期乘法-累加运算。

（4）比较、选择、存储单元（CSSU），可用于Viterbi译码器的加法-比较-选择运算。

（5）指数编码器，是一个支持单周期指令EXP的专用硬件。可以在一个周期内计算40位累加器数值的指数。

（6）配有两个地址生成器，包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元（ARAU）。

TMS320C54x的总线结构：

TMS320C54x的结构是以8组16位总线为核心，形成了支持高速指令执行的硬件基础。

总线结构：1组程序总线PB、3组数据总线CB、DB、EB、4组地址总线PAB、CAB、DAB、EAB

1．程序总线PB

主要用来传送取自程序存储器的指令代码和立即操作数。

PB总线既可以将程序空间的操作数据(如系数表送至数据空间的目标地址中，以实现数据移动，也可以将程序空间的操作数据传送乘法器和加法器中，以便执行乘法-累加操作。

2．数据总线CB 、DB和EB

3条数据总线分别与不同功能的内部单元相连接。如：CPU、程序地址产生逻辑PAGEN、数据地址产生逻辑 DAGEN、片内外设和数据存储器等。CB和DB用来传送从数据存储器读出的数据；EB用来传送写入存储器的数据。

3．地址总线PAB、CAB、DAB和EAB

用来提供执行指令所需的地址。

’C54x读/写操作占用总线情况:

(3 ALU输入数据的预处理

当16位数据存储器操作数通过数据总线DB或CB输入时，ALU将采用两种方式对操作数进行预处理。

①若数据存储器的16位操作数在低16位时，则

当SXM=0时，高24位 ( 39~16位用0填充；

当SXM=1时，高24位 ( 39~16位扩展为符号位。

②若数据存储器的16位操作数在高16位时，则

当SXM=0时，39~32位和15~0位用0填充；

当SXM=1时，39~32位扩展为符号位，15~0位置0。

(4 ALU的输出

ALU的输出为40位运算结果，通常被送至累加器A或B。

溢出处理:

ALU的饱和逻辑可以对运算结果进行溢出处理。当发生溢出时，将运算结果调整为最大正数（正向溢出）或最小负数（负向溢出）。

当运算结果发生溢出时：

①若OVM=0，则对ALU的运算结果不作任何调整，直接送入累加器；

②若OVM=1，则对ALU的运行结果进行调整。

当正向溢出时，将32位最大正数00 7FFFFFFFH装入累加器；

当负向溢出时，将32位最小负数FF 80000000H装入累加器。

③状态寄存器ST0中与目标累加器相关的溢出标志OVA或OVB被置1。

累加器A和B :

’C54x芯片有两个独立的40位累加器A和B，可以作为ALU或(乘法器/加法器MAC的目标寄存器，存放运算结果，也可以作为ALU或MAC的一个输入。

累加器A和B的差别：累加器A中的31-16位可以作为乘法器的一个输入。

1. 累加器结构

【例2.4.1】累加器A=FF 0123 4567H，执行带移位的STH和STL指令后，求暂存器T和A的内容。

2.4.3 桶形移位寄存器:

TMS320C54x的40位桶形移位寄存器主要用于累加器或数据区操作数的定标。它能将输入数据进行0~31位的左移和0~16位的右移。所移动的位数可由ST1中的ASM或被指定的暂存器T决定。

1. 组成框图

①多路选择器MUX:用来选择输入数据。

②符号控制SC:用于对输入数据进行符号位扩展。

③移位寄存器:用来对输入的数据进行定标和移位

④写选择电路 :用来选择最高有效字和最低有效字。

2．桶形移位寄存器的输入

通过多路选择器MUX来选择输入信号。

①取自DB数据总线的16位输入数据；

②取自DB和CB扩展数据总线的32位输入数据；

③来自累加器A或B的40位输入数据。

3．桶形移位寄存器的输出

①输出至ALU的一个输入端；②经写MSW/LSW选择电路输出至EB总线。

4．桶形移位寄存器的功能

主要用于格式化操作，为输入的数据定标。

①在进行ALU运算之前，对输入数据进行数据定标；

②对累加器进行算术或逻辑移位；

③对累加器进行归一化处理；

④在累加器的内容存入数据存储器之前，对存储数据进行定标。

2.4.5 比较、选择和存储单元CSSU

CSSU单元主要完成累加器的高阶位与低阶位之间最大值的比较，即选择累加器中较大的字，并存储在数据存储器中。

工作过程：

①比较电路COMP将累加器A或B的高阶位与低阶位进行比较；

②比较结果分别送入TRN和TC中，记录比较结果以便程序调试；

③比较结果输出至写选择电路，选择较大的数据；

④将选择的数据通过总线EB存入指定的存储单元。

例如，CMPS指令可以对累加器的高阶位和低阶位进行比较，并选择较大的数存放在指令所指定的存储单元中。

指令格式：

CMPS A，*AR1

功能：对累加器A的高16位字（AH）和低16位字（AL）进行比较，

若AH>AL，则AH→*AR1，TRN左移1位，0→TRN(0，

0→TC；

若AH ，则AL → *AR1 ， TRN 左移 1 位，1 → TRN(0 ，

1→TC。

TRN是状态转移寄存器，TC是状态比较寄存器。

指数编码器:

指数编码器用于支持单周期指令EXP的专用硬件。在EXP指令中，求出累加器中的指数值，并能以二进制补码的形式存储在T寄存器中。

2.4.7 CPU状态和控制寄存器

’C54x提供三个16位寄存器来作为CPU状态和控制寄存器，它们分别为：状态寄存器0（ST0）、状态寄存器1（ST1）、工作方式状态寄存器（PMST）。

ST0和ST1主要包含各种工作条件和工作方式的状态；

PMST包含存储器的设置状态和其他控制信息。

1．状态寄存器0（ST0）

主要反映处理器的寻址要求和计算机的运行状态。

2．状态寄存器1 (ST1

主要反映处理器的寻址要求、计算初始状态的设置、I/O及中断的控制等。

3．工作方式状态寄存器PMST

主要设定和控制处理器的工作方式和存储器的配置，反映处理器的工作状态。

2.5 ’C54x的存储空间结构

’C54x共有192K字的存储空间，分成3个相互独立可选择的存储空间：

程序存储空间：用来存放要执行的指令和指令执行中所需要的系数表(数学用表；

数据存储空间：用来存放执行指令所需要的数据；

I/O存储空间：用来提供与外部存储器映射的接口，可以作为外部数据存储空间使用。

所有’C54x芯片都含有片内RAM和ROM。

DARAM和SARAM既可以被映射到数据存储空间用来存储数据，也可以映射到程序空间用来存储程序代码。

片内ROM：主要存放固化程序和系数表。一般构成程序存储空间，也可以部分地映射在数据存储空间。

片内存储器的优点：

● 不需要插入等待状态；

● 与外部存储器相比，成本低；

● 比外部存储器功耗小。

TMS320C54x的存储器分配：

TMS320C54x有 3位设置位在微处理器的方式状态寄存器(PMST中，用以配置片内存储器。

MP/MC位：用来决定程序空间是否使用内部存储器。如果该位清0，则片内ROM 映象在程序存储器空间；如果该位设置为1，则片内ROM不映象在程序存储器实间。

OVLY位：如果该位设置为1，则片内RAM分别映象在程序存储器空间和数据存储器空间；如果该位清0，则片内RAM只映象在数据存储器空间。

DROM位：如果该位设置为1，则片内ROM的一部分映象在数据存储器空间；如果该位清0，则片内ROM的使用取决于MP/MC位。

TMS320C54x的各种型号片内存储器容量大小不同，片外寻址空间差别也很大，主要表现在数据空间（DS）和I/O空间（IS）都是64K，而程序空间（PS）随地址线的不同而不同。地址线的数目有16个、20个、23个，相应的程序空间分别为64K、1M、8M。

TMS320C549存储器空间分配图

存储器映射寄存器(MMR

在C54X的数据存储空间中，前80H个单元中含有CPU寄存器和片内外设寄存器。这些寄存器全部映射到数据存储空间。采用寄存器映射的方法，可以简化CPU和片内外设的访问方式，使程序对寄存器的存取、累加器与其他寄存器之间的数据交换变得十分方便。

TMS320C54x的片内外设：

1. 软件可编程等待状态发生器；

2. 可编程分区转换逻辑电路；

3. 带有内部振荡器和外部时钟源的片内锁相环（PLL）时钟发生器；

4. 可编程定时器；

5. 时分多路串行口（TDM）、缓冲串行口（BSP）、多通道缓冲串行口（McBSP）；

6. 并行主机接口（HPI）。

浮点DSP：

浮点格式用指数形式表示，其动态范围比用小数形式表示的定点格式要大得多，定点DSP中经常要考虑的溢出问题，在浮点DSP中基本上可以不考虑

为了保证底数的精度，浮点DSP基本上作成32-bit的，其总线、寄存器、存储器等的宽度也相应是32-bit的

浮点DSP的速度更快，尤其是作浮点运算

浮点DSP的价格高，开发难度也更大

多处理器接口：

TMS320C40有6个8-bit的接口，使多个处理器可以很方便的并行或串行工作，ADI公司的ADSP21160也有类似的接口

浮点DSP的典型芯片TMS320C30：

60ns单周期指令执行时间

33.3MFLOPS

16.7MIPS

片内4Kx32bit 单周期内可访问两次的ROM

两个1Kx32bit 单周期内可访问两次的RAM

64x32bit指令Cache

指令及数据字长32bit,地址宽度24bit (16M寻址空间

40/32bit 浮点/整数乘法器及ALU

8个以40bit扩展精度寄存器为基础的Acc

32bit桶形移位器

2个地址发生器,8个辅助寄存器和2个辅助寄存器计算单元

片内DMA控制器,使I/O与CPU并行工作

单周期内并行的ALU及乘法指令

零开销循环,单周期分支

两个外部接口

两个串口支持8/16/32bit数据传输

两个32bit定时器

封装: 181脚PGA

工艺: 1 m CMOS

特点：

100MHz, 10ns 指令周期

峰值 600MFLOPS ，连续 400 MFLOPS

4 Mbit 片内双口 SRAM ，由核处理器、主机或DMA独立访问

DMA 控制器支持:14 个零开销 DMA 通道，64 bit 后台 DMA 传输, 与全速运行的处理器并行

700Mbytes/s IO速率

4GW 片外寻址能力

6个连接口，作多处理器应用

2个50Mbps串口支持独立的发送与接收，并支持T1与E1接口

DSP的发展：

更高的运行速度和信号处理速度

多DSP协同工作

更方便的开发环境

大量专用DSP的出现（DSP核）

更低的价格，或更高的性能/价格比

更广泛的应用