DSP芯片的基本结构和特征

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第39页 共29页第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）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，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 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。2.3.1 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）TMS32010200NMOS1.5K1444KTMS32010-25160NMOS1.5K1444KTMS32010-14280NMOS1.5K1444KTMS32011200NMOS1.5K144TMS320C10200CMOS1.5K1444KTMS320C10-25160CMOS1.5K1444KTMS320C15200CMOS4K2564KTMS320C15-25160CMOS4K2564KTMS320E15200CMOS4K2564KTMS320C17200CMOS4K256TMS320C17-25160CMOS4K256TMS320E17200CMOS4K2562.3.2 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芯片中，TMS320C25是一个典型的代表，其他芯片都是由TMS320C25派生出来的。其中TMS320E25将内部4K字的ROM改为EPROM；TMS320C26去掉了内部的4K字ROM，而将片内RAM增加到1.5K字；TMS320C28则将内部ROM增加到8K字。由于TMS320C25的典型性，下面就讨论TMS320C25的基本特征和结构。2.3.2.1 TMS320C25的基本特征 指令周期： TMS320C25：100ns，TMS320C25-33：120ns，TMS320C25-50：80ns 片内掩膜ROM：4K 字 片内RAM：544字，分B0、B1和B2三块 程序和数据空间均为64K字 具有8级硬件堆栈、8个辅助寄存器 具有全静态双缓冲串行口，可与许多串行器件直接接口 与低速片外存储器通信的等待状态插入 采用HOLD操作的DMA FFT变换用的比特反转寻址 扩展精度算术和自适应滤波支持 从外部存储器全速执行的MAC/MACD指令 具有在多处理器之间进行同步的能力，支持多处理器共享存储器 1.8m CMOS工艺，68脚PGA或PLCC封装2.3.2.2 TMS320C25的结构TMS320C25是第二代TMS320中与TMS32020管脚全兼容的CMOS版本，但指令执行速度是TMS32020的2倍，且增加了硬件和软件资源。指令集是TMS32010和TMS32020的超集，在源代码级与它们兼容。此外，在代码级与TMS32020兼容，因此，TMS32020的程序可不用修改直接在TMS320C25上运行。100ns的指令周期可提供较强的运算能力。由于大部分指令在一个指令周期内执行，处理器在1秒内可执行1000万条指令（10MIPS）。运算能力的增加主要得益于乘累加指令（MAC）和带数据移位的乘累加指令（MACD）、具有专用算术单元的8个辅助寄存器、适合于自适应滤波和扩展精度运算的指令集支持、比特反转寻址、快速的I/O支持等。指令集中提供在两个存储空间中进行数据移动的指令。在外部，程序和数据存储空间在同一总线上复用，从而使得在尽量减少芯片引脚的情况下最大程度地扩大两个空间的地址范围。在内部，TMS320C25结构通过保持程序和数据总线结构分离以使指令全速执行来获得最大的处理能力。芯片内部的程序执行采用三级流水线形式。流水线对用户来说是透明的。但是，在某些情况下流水线可能被打断（如跳转指令），在这种情况下，指令执行时间要考虑流水线必须清空和重新填充。两块大的片内RAM在系统设计时提供了很大的灵活性，其中一块既可配置为程序存储器也可配置为数据存储器。片外64K字的数据空间可直接寻址，从而使DSP算法实现更为方便。片内4K字的掩膜ROM可用来降低系统成本，若程序不超过4K字，可使TMS320C25不用扩展片外程序存储器。剩下的64K字程序空间在片外，大量的程序可在片外存储器中全速运行。程序也可从片外慢速EPROM中装入到片内高速RAM中全速运行。此外，还有硬件定时器、串行口和数据块搬移功能。下面介绍TMS320C25的存储器分配、中央算术逻辑单元（CALU）、硬件乘法器、控制操作、串行口和I/O接口。1存储器分配TMS320C25具有4K字的片内程序ROM和544字的片内RAM。RAM分为三块：B0、B1、B2。其中，B0块（256字）既可配置为数据存储器（用CNFD指令），也可配置为程序存储器（用CNFP指令）。其余288字（B1和B2块）只能是数据存储器。544字的片内RAM可使C25能处理512字的数据阵列，如可进行256点复数FFT运算，且尚有32字用作中间结果的暂存。TMS320C25提供片外可直接寻址的程序和数据空间各64K字。寄存器组包含8个辅助寄存器（AR0AR7），它们可用作数据存储器的间接寻址和暂存，从而增加芯片的灵活性和效率。这些寄存器既可用指令直接寻址，也可用3比特的辅助寄存器指针（ARP）间接寻址。辅助寄存器和ARP既可从数据存储器装数，也可装入立即数。寄存器的内容也可存入数据存储器中。辅助寄存器组与辅助寄存器算术单元（ARAU）相连接，用ARAU访问信息表无需CALU参与地址操作，这样可让CALU进行其他操作。2中央算术逻辑单元CALU包含一个16位的定标移位器（Scaling），一个1616位的并行乘法器，一个32位的累加器和一个32位的算术逻辑单元（ALU）。移位器根据指令要求提供0到16位的数据左移。累加器和乘法器输出端的移位器适合于数值的归一化、比特提取、扩展精度算术和溢出保护。典型的ALU指令实现包含以下三步：(1) 数据在数据总线上从RAM中获取；(2) 数据移交给完成算术运算的定标移位器和ALU；(3) 结果送回累加器。32位累加器可分为2个16位以进行数据存储：SACH（高16位）和ACCL（低16位）。累加器有一个进位位可方便加法和减法的多精度运算。3硬件乘法器TMS320C25具有一个1616位的硬件乘法器，它能在一个指令周期内计算一个32位乘积。有两个寄存器与乘法器相关：16位暂存寄存器TR，用于保存乘法器的一个操作数；32位乘积寄存器PR，用于保存乘积。乘积寄存器的输出可左移1位或4位，这对于实现小数算术运算或调整小数乘积很有用。PR的输出也可右移6位，这样可连续执行128次乘/加而无溢出。无符号乘（MPYU）指令可方便扩展精度乘法。4I/O接口I/O空间由16个输入口和16个输出口组成。这些口可提供全16位并行I/O接口。输入（IN）和输出（OUT）操作典型的是2个周期，但若用重复指令，可变成单周期指令。I/O器件映射到I/O地址空间，其方式与存储器映射方式相同。与不同速度的存储器或I/O器件接口采用READY线完成。TMS320C25也支持外部程序/数据存储器的DMA，其他处理器通过置HOLD 为低后可完全控制TMS320C25的外部存储器，使C25将其地址、数据和控制线呈高阻状态。外部处理器和C25的通信可通过中断来完成。TMS320C25芯片提供两种DMA方式，一种是加上HOLD后停止执行；另一种是C25继续执行，但执行是在片内ROM和RAM中进行，这可大大提高性能。2.3.2.3 TMS320C25的软件TMS320C25的指令总共有133条，其中97条是单周期指令。在另外36条指令中，21条包括跳转、调用、返回等，这些指令需重新装入程序计数器，使执行流水线中断。另外7条指令是双字和长立即数指令。剩下的8条指令（IN，OUT，BLKD，BLKP，TBLR，TBLW，MAC，MACD）支持I/O操作、存储器之间的数据交换或提供处理器内部额外的并行操作，而且这8条指令与重复计数器配合使用时可成为单周期指令。这主要利用了处理器的并行机制，使得复杂的计算可用很少的几条指令来完成。由于大多数指令用单16位字编码，故可在一个周期内完成。存储器寻址方式有三种：直接寻址、间接寻址和立即数寻址。直接寻址和间接寻址都用来访问数据存储器，立即数寻址利用由程序计数器确定的存储器内容。使用直接寻址方式时，指令字的7位和9位数据存储器页指针（DP）构成16位的数据存储器地址。其中，每页长128字，共有512页，故可寻址64K的数据空间。间接寻址借助于8个辅助寄存器（AR0AR7）。表2.2 列出了7种间接寻址方式。其中的比特反转寻址可大大提高 FFT运算的I/O效率。其中，OP表示某种运算，NARP表示新的ARP。表2.2 TMS320C25的寻址方式寻址方式操 作OP A直接寻址OP *（,NARP）间接寻址；AR不变OP *+（,NARP）间接寻址；当前AR加1OP *-（,NARP）间接寻址；当前AR减1OP *0+（,NARP）间接寻址；AR0加到当前AROP *0-（,NARP）间接寻址；当前AR减去AR0OP *BR0+（,NARP）间接寻址；AR0加到AR（）OP *BR0-（,NARP）间接寻址；当前AR减去AR0（）2.3.3 TMS320C5XTMS320C5X是TI公司的第五代产品，是继TMS320C1X和TMS320C2X之后的第三代定点DSP处理器。它的核心中央处理器（CPU）以TMS320C25的核心CPU为基础，增强型结构大幅度地提高了整体性能。TMS320C5X工作速度是TMS320C25的2倍以上，对于TMS320C1X和TMS320C2X具有源代码向上兼容特性。这种兼容性保留了过去开发的软件，便于系统升级到更高性能的DSP系统。TMS320C5X系列有TMS320C50/C51/C52/C53等多种产品，它们的主要区别是片内RAM、ROM等资源的多少，如TMS320C50内部具有10K字RAM和2K字ROM，其中2K字ROM已经固化了引导程序；TMS320C51内部具有2K字RAM和8K字ROM；TMS320C52内部具有1K字RAM和4K字ROM，减少了一个串行口；TMS320C53内部则有4K字RAM和16K字ROM。芯片的其他性能则是完全相同的。下面以TMS320C50为例介绍TMS320C5X DSP 芯片。2.3.3.1 TMS320C50的基本特征TMS320C50的主要特点包括:25/35/50ns的指令周期（20 40 MIPS）224K16位最大可寻址外部存储空间（64K程序、64K数据、64K I/O、32K全局） 算术逻辑单元（ALU），32位累加器（ACC）以及32位加法器的缓冲器（ACCB） 并行逻辑单元（PLU） 结果具有32位的1616位并行乘法器 单周期乘累加指令 具有一个专用算术单元的8个辅助寄存器，可用于间接寻址8级硬件堆栈016位数据左移和右移 两个间接寻址的循环缓冲器，用于循环寻址 程序代码的单指令重复和程序块重复 全双工同步串行口，用于完成TMS320C5X与其他串行器件之间的直接通信 时分多址访问（TDM ）串行口 内部定时器，可用软件控制64K 并行I/O 口，其中16个有存储器映像 可软件编程的等待状态发生器 扩展保持操作，用于并发外部DMA 四级流水线操作，用于延迟跳转、调用、返回指令 比特反转寻址方式，用于FFT运算 JTAG扫描仿真接口（IEEE标准，P1149.1）1核心CPUTMS320C5X CPU的增强功能在提高性能和通用性的同时，保持了对TMS320C1X和TMS320C2X源代码的兼容性。硬件的改进包括：一个32位累加器缓冲器，附加定标能力，利用附加硬件功能的新指令。新的控制功能包括：独立的并行逻辑单元（PLU）和一组文本交换寄存器。数据管理方面的改进包括：采用新的块搬移指令和存储器映像寄存器指令。TMS320C50有28个存储器映像寄存器和16个存储器映像的I/O口。2片内ROMTMS320C50拥有2K16位掩蔽ROM，内部固化了引导程序。该存储器把程序从外部ROM/EPROM、串行口或并行I/O口引导至运行速度较快的SRAM中。这块引导ROM可通过PMST状态寄存器中的MP/MC 位从程序存储空间去除。如果该ROM未选，则TMS320C50由片外存储器启动执行。3片内数据RAMTMS320C50具有1056字的片内RAM，这块RAM 可在每个机器周期内访问两次（双寻址RAM），只要两次访问不是“写”操作。这块存储空间主要用于存储数据，但是如果需要也可用于存储程序和数据。其配置有两种方式：所有的1056字都作为数据存储区，或者将其中的544字作为数据存储器，512字作为程序存储区。可通过状态寄存器ST1中的CNF位选择设置。4片内程序/数据RAMTMS320C50还具有9K字的片内RAM。这一存储区可以由软件设置映射到程序或数据存储空间。程序从片外存储器引导后，可装入到该存储区全速运行。5片内存储器安全TMS320C50可以通过可屏蔽选择来保护片内存储器的内容。当相关比特置位时，外部无法访问片内存储空间。6有地址映射的软件等待状态发生器软件等待状态逻辑不需要任何外部硬件就可以实现TMS320C50与速度较慢的片外存储器和I/O设备接口。该电路系统拥有16个等待状态发生器，其中可由用户编程操作的有0，1，2，3和7状态。7并行I/O口TMS320C50共有64K I/O口，其中的16个可映射在数据存储空间。这些口可由IN或OUT指令寻址。具有存储器映像的I/O口可按存储器的读写方式访问。I/O口的访问由IS线选通。增加简单的片外地址译码电路，就可实现TMS320C50的I/O口与外部I/O设备的简单连接。8串行I/O口TMS320C50有两个高速串行口。串行口最快可按1/4机器周期（CLKOUT1）操作。一个是同步全双工串行口，发送和接收都有缓冲，分别由可屏蔽外部中断信号控制，数据可按照8或16位方式传输；另一个串行口为全双工串口，可设置为同步方式，也可设置为时分多址（TDM）方式，TDM串行口一般用于多处理机系统。916位硬件定时器16位硬件定时器可由软件进行控制，通过设置相应的状态位，定时器可工作在停止、重启动、复位或不工作等状态。10用户可屏蔽中断TMS320C50有4个外部中断线。片内的中断锁存电路可实现异步中断操作。此外，还有5个内部中断：1个定时器中断和4个串行口中断。11JTAG扫描逻辑JTAG扫描逻辑电路用于仿真和测试，采用JTAG可实现在线仿真。2.3.3.2 TMS320C50的结构TMS320C50采用了与TMS320C25类似的哈佛型总线结构，通过两个独立的数据总线和程序总线，最大限度地提高运算速度。指令支持在两个存储区之间的数据传输。TMS320C50使用32位的ALU和累加器以实现2的补码运算。ALU是一个通用的算术单元，它所使用的运算数据（16位）来自数据RAM或来自立即数指令，也可以是乘积寄存器中32位的乘积结果。除此之外，ALU还可以执行位操作。累加器保存ALU的输出，也为ALU提供下一个输入。字长为32位的累加器分为高字节和低字节。指令提供对低字节和高字节的单独存储。32位的累加器缓冲器用于临时快速地存储累加器的内容。除了ALU之外，并行逻辑单元（PLU）可以在不影响累加器内容的情况下对数据进行逻辑操作。PLU提供了高速控制器需要的位处理能力，并简化了控制和状态寄存器需要的置位、清零和测试操作。乘法器以单指令周期完成1616位的乘法，结果为32位。乘法器由三部分组成，分别是乘法器阵列、PREG（乘积寄存器）、TREG0（临时寄存器）。16位的TREG0存储乘数，PREG保存32位的乘积结果。乘法器中的数值来自数据存储器，当使用MAC/MACD/MADS/MADD指令时来自程序存储器，或者来自乘立即数指令（MPY #）。片内快速乘法器对执行诸如卷积、相关和滤波等基本的DSP操作十分有效。TMS320C50的定标移位器有一个16位的输入来自数据总线，32位的输出连接到ALU。定标移位器依照指令的编程使输入数据产生0到16位的左移。移位量取决于指令或移位计数寄存器（TREG1）中的定义值。输出的最低有效位（LSB）补零，最高有效位补0或符号扩展（取决于状态寄存器ST1的符号扩展模式位SXM）。附加的移位能力使处理器能执行数值定标、二进制位提取、符号扩展运算和溢出防止等功能。8级硬件堆栈用于在中断及子程序调用时保存程序计数器的内容。中断发生时，重要寄存器（ACC、ACCB、ARCR、INDX、PMST、PREG、ST0、ST1和TREG）压入堆栈，中断返回时弹出，实现了无开销的中断文本切换。2.3.4 TMS320C2XXTMS320C2XX是继TMS320C2X和TMS320C5X之后出现的一种低价格、高性能定点DSP芯片，主要包括TMS320C20X、TMS320C24X两个子系列。TMS320C2XX系列DSP芯片具有如下特点：(1) 处理能力强。指令周期最短为25ns，运算能力达40MIPS；(2) 片内具有较大的闪烁存储器。TMS320C2XX是最早使用闪烁存储器的DSP芯片。闪烁存储器具有比ROM灵活、比RAM便宜的特点。TMS320F206和TMS320F207片内具有32K字的闪烁存储器和4.5K字的RAM。利用闪烁存储器存储程序，不仅降低了成本，减小了体积，同时系统升级也比较方便；(3) 功耗低。TMS320C2XX系列DSP芯片在5V工作时每个MIPS消耗1.9mA，在3.3V工作时每个MIPS消耗1.1mA。使用DSP核的省电模式可进一步降低功耗；(4) 资源配置灵活。现有10多种具有不同资源配置的芯片。表2.3是TMS320C2XX系列DSP芯片比较表。此外，TMS320C24X系列芯片为数字控制系统的应用做了优化设计。表2.3 TMS320C2XX系列芯片的资源配置TMS320C2XX指令周期（ns）片内ROM（字）片内RAM（字）片内FLM（字）同步串行口异步串行口C20325/35/5054411C20425/35/504K54411C20525/35/504.5K11F20625/35/504.5K32K11F20725/35/504.5K32K21C20935/504K4.5KC2405016K54411F2405054416K11C241508K54411F241505448K11C242504K54411F243505448K112.3.5 TMS320C54XTMS320C54X是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点DSP芯片，其主要应用是无线通信系统等。该芯片的内部结构与TMS320C5X不同，因而指令系统与TMS320C5X和TMS320C2X等是互不兼容的。 TMS320C54X的主要特点包括：(1) 运算速度快。指令周期为25/20/15/12.5/10ns，运算能力为40/50/66/80/100 MIPS；(2) 优化的CPU结构。内部有1个40位的算术逻辑单元，2个40位的累加器，2个40位加法器，1个1717的乘法器和1个40位的桶形移位器。有4条内部总线和2个地址产生器。此外，内部还集成了维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度。先进的DSP结构可高效地实现无线通信系统中的各种功能，如用TMS320C54X实现全速率的GSM 需12.7 MIPS，实现半速率GSM 需26.2 MIPS，而实现全速率GSM 语音编码器仅需2.3 MIPS，实现IS-54/136 VSELP语音编码仅需12.8 MIPS；(3) 低功耗方式。TMS320C54X可以在3.3V或2.7V电压下工作，三个低功耗方式（IDLE1、IDLE2和IDLE3）可以节省DSP的功耗，TMS320C54X特别适合于无线移动设备。用TMS320C54X实现IS54/136 VSELP语音编码仅需31.1mW，实现GSM 语音编码器仅需5.6mW；(4) 智能外设。除了标准的串行口和时分复用（TDM）串行口外，TMS320C54X还提供了自动缓冲串行口BSP（auto-Buffered Serial Port）和与外部处理器通信的HPI（Host Port Interface）接口。BSP可提供2K字数据缓冲的读写能力，从而降低处理器的额外开销，指令周期为20ns时，BSP的最大数据吞吐量为50M bit/s，即使在IDLE方式下，BSP也可以全速工作。HPI可以与外部标准的微处理器直接接口。表2.4是TMS320C54X系列部分DSP芯片比较表。表2.4 TMS320C54X的资源配置TMS320C54X指令周期（ns）工作电压（V）片内RAM（字）片内ROM（字）串行口BSPHPIC54120/255/3.3/3.05K28K2个标准口C54220/255/3.3/3.010K 2K1个TDM口11C54320/253.3/3.010K2K1个TDM口1C54520/253.3/3.06K48K1个标准口11C54620/253.3/3.06K48K1个标准口1C54815/20/253.3/3.032K2K1个TDM口21LC/VC54910/12.5/153.3/2.532K16K1个TDM口21VC5402103.3/1.816K4K212.3.6 TMS320C62X这是TI公司于1997年开发的一种新型定点DSP芯片。该芯片的内部结构与以前的DSP芯片不同，内部集成了多个功能单元，可同时执行8条指令，运算能力达1600MIPS。其主要特点有：(1) 运行速度快。指令周期为5ns，运算能力为1600MIPS；(2) 内部结构不同于一般DSP芯片。内部同时集成了2个乘法器和6个算术运算单元，且它们之间是高度正交的，使得在一个指令周期内最大能支持8条32bit的指令；(3) 指令集不同。为充分发挥其内部集成的各执行单元的独立运行能力，TI公司使用了VelociTT 超长指令字（VLIW）结构。它在一条指令中组合了几个执行单元，结合其独特的内部结构，可在一个时钟周期内并行执行几个指令；(4) 大容量的片内存储器和大范围的寻址能力。片内集成了512K字程序存储器和512K字数据存储器，并拥有32bit的外部存储器界面；(5) 智能外设。内部集成了 4个DMA接口，2个多通道缓存串口，2个32bit 计时器；(6) 低廉的使用成本。在一个无线基站的应用中，每片TMS320C62X能同时完成30路的语音编解码，每路成本为3美元，而以前的DSP系列最大只能完成5路，每路的成本为7美元。这种芯片适合于无线基站、无线PDA、组合Modem、GPS导航等需要大运算能力的应用场合。2.4 TI浮点DSP芯片2.4.1 TMS320C3XTMS320C3X是TI的第三代产品，也是第一代浮点DSP芯片。TMS320C3X中目前具有TMS320C30、TMS320C31和TMS320C32三种。TMS320C31是TMS320C30的简化和改进型，它在TMS320C30的基础上去掉了一般用户不常用的一些资源，降低了成本，是一个性能价格比较高的浮点处理器，在国内已得到了较广泛的应用。TMS320C32是TMS320C31的进一步简化和改进。表2.5示出了三种芯片的比较。表2.5 三种TMS320C3X芯片的比较特征TMS320C30TMS320C31TMS320C32数据/程序总线主总线STRB：32位数据，24位地址扩展总线IOSTRB：32位数据，13位地址STRB：32位数据，24位地址STRB0：8/16/32位 STRB1: 8/16/32位IOSTRB：32位内部RAM2K字2K字512字串行I/O口2个串行口1个串行口1个串行口用户程序、数据ROM4K字/16K字节无无DMA控制器单通道单通道双通道程序和数据存储器宽度32位32位程序16/32位可选数据8/16/32位可选外部中断触发电平触发电平触发电平/边沿可选中断矢量表地址固定固定用户可重定位程序引导无用户可选用户可选TMS320C30的指令周期为50/60/74ns，TMS320C31的指令周期为33/40/50/60/74ns，TMS320C32的指令周期则为33/40/50ns。2.4.1.1 TMS320C3X的硬件资源TMS320C30的硬件资源相当丰富。其内部包含了2K32位的快速RAM块。分开的程序总线、数据总线和DMA总线使得取指、读写数据和DMA操作可并行进行，如CPU可以在一个周期内完成下列操作: 在一个RAM块中存取两个数据值，进行一次外部取指，DMA装入到另一个RAM块。6432位的指令Cache用来存储经常使用的代码块，这可大大减少片外访问的次数，从而提高程序运行速度。由于主总线的地址总线是24位，因此TMS320C30可以访问多达16M的32位字的存储器空间，程序、数据和I/O空间都包含在TMS320C30这个16M字的空间中。TMS320C30有一个40/32位的浮点/整数乘法器，这个乘法器可以在单周期内完成24位整数和32位浮点值的乘法，为了达到更高的性能，可以采用并行指令在单周期内完成一次乘法和ALU操作。当乘法器进行浮点乘法时，输入是32位单精度浮点值，而输出则是40位的扩展精度浮点数。整数乘法时，输入是24位，而输出则是32位。TMS320C30的整数/浮点算术逻辑运算单元ALU可以进行单周期的32位整数、32位逻辑数和40位的浮点数操作，ALU的运算结果是32位整数或40位浮点数。内部的桶形移位器可以在单周期内进行高达32位的左移或右移。内部总线CPU1/CPU2和REG1/REG2可从存储器中取两个操作数和从寄存器取两个操作数，这就使得对四个操作数进行乘和加/减可以在单周期内完成。TMS320C30内有两个辅助寄存器算术单元（ARAU0和ARAU1）， 它们可以在单周期内产生两个地址。ARAU 的操作是和乘法器及ALU的操作并行进行的。ARAU支持多种寻址方式。TMS320C30提供28个寄存器，这些寄存器可以由乘法器和ALU操作，可以用作通用的寄存器。但是，它们也有一些特殊的功能，如8个扩展精度的寄存器（R0R7）可当累加器使用，特别适合用于存放扩展精度的浮点结果。8个辅助寄存器（AR0AR7）支持一系列间接寻址方式，并且可以用作通用的32位整数和逻辑寄存器。其他寄存器提供一些系统功能，如寻址、堆栈管理、处理器状态、中断和块重复等。TMS320C30的外设是通过存储器映射的寄存器对外设总线进行控制的，外设总线由32位数据总线和24位地址总线组成，允许与外设直接通信。TMS320C30的外设包括两个可支持8/16/24/32位数据交换的串行口和两个32位定时器。串行口的时钟可以由内部产生也可由外部提供，串行口的引脚可以配置为通用的I/O引脚，特殊的握手方式可保证TMS320C30与串行口的同步。定时器是通用的32位定时器或事件计数器，具有两种信号方式，可由内部或外部提供时钟，每个定时器对应有一个I/O引脚，可作为定时器的输入时钟或输出时钟，也可配置为通用的I/O引脚。片内的DMA功能使得CPU与I/O操作可同时进行。DMA控制器可以在存储器的任何地址进行读写操作而不干扰CPU的操作，因此TMS320C30可与外部的慢速存储器或外设接口而不降低CPU的吞吐量。两个通用的外部引脚（XF0，XF1）可由软件设置为输入或输出，这两个引脚也用作TMS320C30的互锁操作，用于多处理器之间的通信。除了主总线之外，TMS320C30还有一条扩展总线。扩展总线的数据线为24位，地址线为13位，其操作可与主总线操作同时进行，也可独立于主总线。与主总线相比，扩展总线上的I/O口的读写周期为2个H1周期，即是主总线的2倍。扩展总线通常用于I/O操作，如A/D、D/A等。TMS320C30内部有4K字的ROM，在微计算机方式下，程序由内部开始运行。TMS320C31是TMS320C30的简化和改进型，它去掉了扩展总线、一个串行口和内部的4K字ROM，增加了程序的引导功能。当MCBL/MP引脚为高电平时，工作于微计算机自引导方式，在这种方式下，TMS320C31可从三个特定的地址装入程序（BOOT1，BOOT2，BOOT3），也可从串行口装入程序。与EPROM接口时，用户可用软件设定等待周期个数，当然也可用硬件来产生等待周期，可设定是按字节（8位）、半字（16位）或字（32位）装入，应用灵活。从串行口装入时，采用固定的32位突发方式。装入方式设置是通过复位之后设置四个外部中断之一来实现。TMS320C32是TMS320C31的简化和改进型。简化主要是将内部的RAM由2K字减少为512字，以降低成本。改进之处包括：外部存储器宽度可变，中断矢量表可重定位，外部中断可由软件选择是电平触发还是边沿触发，DMA控制器增加了一个通道，此外，还增加了两种节电运行方式。TMS320C3X均提供HOLD功能和JTAG仿真功能。2.4.1.2 TMS320C3X的软件资源1丰富的指令系统TMS320C3X的汇编语言指令集特别适合于数字信号处理。所有指令占一个机器字长，大部分指令是单周器的。指令集共有113条指令，可以分为六类: 数据传送类、二操作数算术/逻辑类、三操作数算术/逻辑类、程序控制类、互锁操作类及并行操作类。12条数据传送指令可从存储器中读一个字装入寄存器，将一个字从寄存器中存入存储器中及进行堆栈操作。二操作数指令有35条，提供整数、浮点、逻辑运算及多精度算术操作。17条三操作数指令可以在一个指令周期内完成具有三个操作数的运算，其中两个是源操作数，另一个是目的操作数。程序控制指令共16条，它们影响程序的流向，其中有块重复指令RPTB和单指令重复指令RPTS。除了有标准跳转指令外，还有延迟跳转指令，有些指令具有条件运算功能。5条互锁操作指令主要用来进行多处理器之间的通信。剩下的28条指令都是并行操作指令，每条并行指令由两条指令用符号“|”连接，并行操作指令可使“|”前后的两条指令并行完成。需要注意的是，并不是任意两条指令都可构成并行指令。2灵活的程序控制TMS320C3X提供相当灵活的程序流控制。软件的程序控制包括重复、跳转、调用、陷阱及返回等。TMS320C3X重复方式可以实现无开销循环。块重复指令RPTB可以使一块代码重复执行指定的次数，而单指令重复指令RPTS使一条指令重复执行指定的次数，由于RPTS取指次数只有一次，因此减少了总线冲突的机会。这里需要特别注意的是，RPTS指令禁止中断，而RPTB无此禁忌。因此在需要中断的场合，建议采用RPTB指令代替RPTS指令。TMS320C3X提供两种类型的跳转：标准跳转和延迟跳转。标准跳转首先将流水线清空然后执行跳转，这可保证程序计数器的正确管理，但却使跳转指令需4个周期才能执行完毕。延迟跳转则相反，它并不将流水线清空，而是保证在程序跳转之前执行它下面的3条指令，这样使得跳转指令本身仅需1个指令周期。当然有些指令（如CALL、RPTB等）不能出现在延迟跳转指令下面的3条指令。延迟跳转指令在它下面3条指令完成前禁止中断。互锁操作可用来实现多个TMS320C3X之间的通信。通过采用外部信号（XF0，XF1），互锁操作指令提供强有力的同步机制，可用来实现忙等待循环、两个TMS320C3X之间的同步（无需额外的硬件支撑）和多个计数器控制等。3流水线操作流水线操作是TMS320C3X具有高性能的特性之一。5个功能单元控制TMS320C3X的操作：取指（F）、译码（D）、读操作数（R）、执行（E）和DMA。流水线操作就是一个基本指令的取指、译码、读操作数和执行的并行操作。流水线的结构如图2.2所示。周期FDREm-3Wm-2XWm-1YXWmZYXW 完全重叠m+1ZYXm+2ZYm+3Z注：W、X、Y、Z代表指令；F、D、R、E分别代表取指、译码、读操作数和执行。图2.2 TMS320C3X的流水线结构图中在m周期，流水线完全重叠，4个单元的操作同时进行。5个功能单元的优先级从高到低依次是E、R、D、F、DMA。当一条指令的处理已经准备好到流水线的下一级，但那一级还没有准备好接收新的输入时，就出现所谓的流水线冲突。在这种情况下，低优先级的单元处于等待状态直到高优先级的单元完成它的当前操作。尽管DMA的优先级最低，但由于DMA控制器具有自己的数据和地址总线，因此，通过合适的数据结构，DMA与CPU的冲突可以减少甚至消除。流水线冲突可以分为下列三大类：跳转冲突、寄存器冲突和存储器冲突。这三类冲突都可以采取相应的一些手段予以解决，如由于标准跳转引起的跳转冲突可以采用延迟跳转的方法来克服。4寻址方式多样TMS320C3X支持5类寻址方式，在这些类中又可采用6种寻址类型。5类寻址方式是：通用寻址方式；三操作数寻址方式；并行寻址方式；长立即数寻址方式；条件跳转寻址方式。6种寻址类型是：寄存器寻址；直接寻址；间接寻址；短立即数寻址；长立即数寻址；相对寻址。此外，TMS320C30还有两种数字信号处理中非常有用的寻址方式，一种是圆周寻址方式，主要用于卷积和相关等运算中存储器循环缓冲;另一种寻址方式是比特反转寻址，主要用于FFT运算。2.4.2 TMS320C4XTMS320C4X系列浮点处理器是专门为实现并行处理和满足其他一些实时应用的需求而设计的。其主要性能包括275 MOPS的惊人速度和320Mbyte/s的吞吐量。2.4.2.1 TMS320C40的主要特征(1) 具有6个用于处理器间高速通信的通信口。每个口的最大数据吞吐量可达20Mbyte/s的异步传输速率。处理器之间可直接对通，应用方便、灵活；(2) 6个DMA通道实现了I/O操作与CPU操作的并行化。每个DMA通道都具备自初始化的能力，无需CPU来完成初始化的工作，从而最大限度地保证了CPU的性能，数据可以在处理器内存映像的任意范围内传递，具有高度的灵活性；(3) CPU的处理能力达275 MOPS，数据吞吐量为320Mbyte/s。由于高度的并行化，TMS320C40 的CPU在每个周期内可以完成11次操作。指令周期的时间为40ns和50ns。40/32位的单周期浮点/整数乘法为大运算量的算法提供了高性能。单周期IEEE浮点格式转换为IEEE兼容的处理器提供了一个有效的界面。硬件支持除法和平方根倒数运算。具有字节和半字长控制的能力，以实现快速数据压缩和解压。源代码与TMS320C3X兼容，可移植性好。支持线性、循环和比特反转的寻址方式。单周期跳转、调用和返回，以实现快速程序控制。031bit的单周期桶形循环左右移位；(4) 两条分开的外部数据、地址总线支持共享存储器系统和高速数据速率、单周期传输。端口数据传输速率高达100Mbyte/s。16G字连续的程序/数据/外设地址空间为系统设计带来最大的灵活性。状态管脚标明存储器访问类型，以在共享存储器系统中实现快速、智能化的总线仲裁。分离的地址、数据和控