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1、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。2.2 DSP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）
2、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（Von Neuman）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
3、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TM
4、S320C30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26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NN1N2N1N1N2NNN1可以并行处理26条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。图2.1所示为一个三级流水线操作的例子。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
5、，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。2.2.3 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TMS32010实现FIR的每个抽头算法可以看出，滤波器每个抽头需要
6、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MPY；相乘APAC；将乘法结果加到ACC中其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路（ LT），移动数据（DMOV）以及将乘法结果（存在乘积寄存器P中）加到ACC中（APAC）。因此，若采用256抽头的FIR滤波器，这四条指令必须重复执行256次，且256次乘法必须在一个抽样间隔内完成。在典型的通用微处理器中，每个抽头需要30 40个指令周期，而TMS32010只需4条指令。如果采用特殊的DSP指令或采用 TMS320C54X等新一代的DSP芯片，可进一步降低FIR抽头的计算时间。2.2.4 特殊的DSP指令DSP芯
7、片的另一个特征是采用特殊的指令。2.2.3节中介绍的DMOV就是一个特殊的DSP指令，它完成数据移位功能。在数字信号处理中，延迟操作非常重要，这个延迟就是由DMOV来实现的。TMS32010中的另一个特殊指令是LTD，它在一个指令周期内完成LT、DMOV和APAC三条指令。LTD和MPY指令可以将FIR滤波器抽头计算从4条指令降为2条指令。在第二代处理器中，如TMS320C25，增加了2条更特殊的指令，即RPT和MACD指令，采用这2条特殊指令，可以进一步将每个抽头的运算指令数从2条降为1条：RPTK255；重复执行下条指令256次MACD；LT, DMOV, MPY 及 APAC2.2.5
8、快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的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200ns 以下。TMS320系列处理器的指令周期已经从第一代的200ns降低至现在的20ns 以下。快速的指令周期使得DSP芯片能够实时实现许多DSP应用。2.3 TI定点DSP芯片自1982年TI推出第一个定点DSP芯片TMS32010以来，TI的定点DSP芯片已经经历了TMS320C1X、TMS320C2X/C2XX、TMS320C5X 、TMS320C54X、TMS320C62X等几代产品，产品的性能价格比不断提高，应用越来越广泛。下面分别介绍这些芯片的主要特征。2
9、.3.1 TMS320C1X2.3.1.1 基本特点第一代TMS320系列DSP芯片包括：TMS32010、TMS32011、TMS320C10、 TMS320C15/E15和TMS320C17/E17。其中，TMS32010和TMS32011采用2.4mm的 NMOS 工艺，而其他几种则采用1.8mm CMOS工艺。这些芯片的典型工作频率为20MHz。TMS320第一代DSP芯片的主要特点如下: 指令周期：160ns/200ns/280ns 片内RAM：144字/256字（TMS320C15/E15/C17/E17） 片内ROM：1.5K字/4K字（TMS320C15/C17）4K字片内程序
10、EPROM（TMS320E15/E17）4K字外部全速存储器扩展 并行乘法器：乘积为32位 桶形移位器：将数据从存储器移到ALU 并行移位器 允许文本交换的412位堆栈 两个间接寻址的辅助寄存器 双通道串行口（TMS32011,TMS320C17/E17） 片内压扩硬件（TMS32011,TMS320C17/E17） 协处理器接口（TMS320C17/E17） 器件封装：40脚双列直插（DIP）/44脚塑封（PLCC）2.3.1.2 TMS320C10TMS320 DSP芯片的第一代产品是基于TMS32010和它的CMOS版本TMS320C10的结构。TMS32010于1982年推出，是第一个
11、能够达到 5 个MIPS的微处理器。TMS32010采用改进的哈佛结构，即程序和数据空间相互独立。程序存储器可在片内（1.5K字）或片外（4K字）。片内数据RAM为144字。有四个基本的算术单元：算术逻辑单元（ALU）、累加器（ACC）、乘法器和移位器。(1) ALU：32位数据操作的通用算术逻辑单元。ALU可进行加、减和逻辑运算；(2)ACC：累加器存储ALU的输出，也是ALU的一个输入。它采用32位字长操作，分高16位和低16位两部分。处理器提供高16位和低16位的专门指令：SACH（高16位）和SACL（低16位）；(3) 乘法器：1616位并行乘法器由三个单元组成：T寄存器、P寄存器和
12、乘法器阵列。T寄存器存储被乘数，P寄存器存储32位乘积。为了使用乘法器，被乘数首先必须从数据RAM中装入到T寄存器，可用LT、LTA和LTD指令。然后执行MPY（乘）或MPYK（乘立即数）指令。乘和累加器操作可用LTA、LTD和MPY、MPYK指令在两个指令周期内完成；(4) 移位器：有两个移位器可用于数据移位。一个是桶形移位器，另一个是并行移位器。桶形移位器又称定标移位器。当数据存储器的数据送入累加器或与累加器中的数据进行运算时，先通过这个移位器进行016位左移，然后再进行运算。并行移位器即输出移位器，其作用是将累加器中的数据左移0、1或4位后再送入数据存储器中，以实现小数运算或小数乘积的调
13、整。在TMS32010/C10基础上又派生了多个处理器，它们可提供不同的处理器速度、存储器扩展和各种I/O集成。2.3.1.3 TMS320C1X的其他芯片1TMS320C15/E15TMS320C15/E15与TMS32010的代码和管脚全兼容，提供256字的片内RAM和4K字的片内ROM（C15）或EPROM（E15）。TMS320C15的指令周期有200ns和160ns（TMS320C15-25）两种。2TMS320C17/E17TMS320C17/E17是一个专用的微处理器。它有4K字的片内程序ROM（C17）或EPROM（E17），一个全双工串行通信的双通道串行口，片内硬件压扩器（m
14、律/A律），一个用于串行通信的串行口定时器，及一个协处理器接口。协处理器接口可以在处理器和4/8/16位微处理器之间提供直接接口。TMS320C17/E17与TMS32010目标代码兼容，且可用相同的开发工具。该处理器是基于TMS320C10的CPU内核，外加片内的外设存储器和I/O模块。TMS320C17/E17可认为是半定制的DSP芯片。表2.1 是TMS320第一代产品的比较表。表2.1 TMS320第一代处理器DSP芯片指令周期（ns）制造工艺片内程序ROM（字）片内程序EPROM（字）片内数据RAM（字）片外程序（字）TMS32010200NMOS1.5K1444KTMS32010-
15、25160NMOS1.5K1444KTMS32010-14280NMOS1.5K1444KTMS32011200NMOS1.5K144TMS320C10200CMOS1.5K1444KTMS320C10-25160CMOS1.5K1444KTMS320C15200CMOS4K2564KTMS320C15-25160CMOS4K2564KTMS320E15200CMOS4K2564KTMS320C17200CMOS4K256TMS320C17-25160CMOS4K256TMS320E17200CMOS4K2562.3.2 TMS320C2X第二代TMS320 DSP芯片包括TMS32020、TMS320C25/E25、TMS320C26及TMS320C28。在这些芯片中，TMS32020是一个过渡的产品，其指令周期为200ns，与TMS32010相当，而其硬件结构则与TMS320C25一致。在第二代DSP芯片
