《DSP的硬件结构》PPT课件.ppt

第二章DSP的硬件结构 Introduction DSP处理器与通用CPU硬件结构比较TMS320C54xDSP的硬件结构DSP四大生产厂商典型定点芯片比较 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 VonNeuman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 MillionInstructionPerSecondMFLOPS MillionFloatingOperationPerSecond 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 k B 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 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 TMS320C2xx的CPU 部分 移位 通用微处理器的移位 每调用一次移位指令移动1 bitDSP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 IEEE1149 1标准 便于对DSP作片上的在线仿真和多DSP条件下的调试 TMS320C2xx的片内存储器及总线 TMS320C54x的硬件结构 TMS320C54x的CPU 先进的多总线结构 40位算术逻辑运算单元 ALU 包括一个40位桶形移位寄存器和两个独立的40位累加器 17 17的并行乘法器与40位专用加法器相连 比较 选择 存储单元 CSSU 指数编码器 双地址生成器包括8个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术运算单元 ARAU TMS320C54x的总线结构 程序总线 PB 传送从程序存储器来的指令代码和立即数 3组数据总线 CB DB和EB 连接各种元器件 CB和DB总线传送从数据存储器读出的操作数 EB总线传送写入到存储器中的数据 4组地址总线 PAB CAB DAB和EAB 传送执行指令所需的地址 TMS320C54x通过使用两个辅助寄存器算术单元 ARAU0和ARAU1 每周期能产生两个数据存储器地址 ALU ArithmeticLogicUnit ALU 16 bitimmediatevalue16 bitwordfromdatamemory16 bitwordfromthetemporaryregister TTwo16 bitwordsfromdatamemory32 bitwordfromdatamemory40 bitwordfromeitheraccumulator Multiplier Adder 桶形移位寄存器 Compare Select andStoreUnit CSSU 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 8 31 存储在T寄存器中 指数值定义为前面的冗余位数减8的差值 即累加器中为消除有效符号位所需移动的位数 当累加器中的值超过32位时 指数为负值 CPU状态和控制寄存器 C54X有三个状态和控制寄存器 分别为状态寄存器ST0 状态寄存器ST1和处理器方式状态寄存器PMST ST0和ST1包括各种工作条件和工作方式的状态 PMST包括存储器配置状态和控制信息 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 ST0的结构 ARP ARP 辅助寄存器指针 用来选择使用单操作数间接寻址时的辅助寄存器AR0 AR7 TC TC 测试 控制标志 用来保存ALU测试操作的结果 C C 进位标志位 用来保存ALU加减运算时所产生的进 借位 OVA B 累加器A B的溢出标志 用来反映A B是否产生溢出 DP DP 数据存储器页指针 用来与指令中提供的7位地址结合形成1个16位数据存储器的地址 状态寄存器1 ST1 BRAF 块重复操作标志位 用来指示当前是否在执行块重复操作 BRAF 0表示当前不进行重复块操作 BRAF 1表示当前正在进行块重复操作 CPL 直接寻址编辑方式标志位 用来指示直接寻址选用何种指针 CPL 0选用数据页指针DP的直接寻址 CPL 1选用堆栈指针SP的直接寻址 XF 外部XF引脚状态控制位 用来控制XF通用外部输出引脚的状态 执行SSBXXF 1XF通用输出引脚为1 执行RSBXXF 0XF通用输出引脚为0 HM 保持方式位 响应HOLD信号时 指示CPU是否继续执行内部操作 HM 0CPU从内部程序存储器取指 继续执行内部操作 HM 1CPU停止内部操作 INTM 中断方式控制位 用于屏蔽或开放所有可屏蔽中断 INTN 0开放全部可屏蔽中断 INTN 1禁止所有可屏蔽中断 0 保留位 未被使用 总是读为0 OVM 溢出方式控制位 用来确定累加器溢出时 对累加器的加载方式 OVM 0将运算的溢出结果直接加载到累加器中 OVM 1当正溢出时 将007FFFFFFFH加载累加器 当负溢出时 将FF80000000H加载累加器 SXM 符号位扩展方式控制位 用来确定数据在运算之前是否需要符号位扩展 SXM 0数据进入ALU之前禁止符号位扩展 SXM 1数据进入ALU之前进行符号位扩展 C16 双16位 双精度算术运算方式控制位 用来决定ALU的算术运算方式 C16 0ALU工作在双精度算术运算方式 C16 1ALU工作在双16位算术运算方式 FRCT 小数方式控制位 用来确定乘法器的运算方式 FRCT 1乘法器的输出左移一位 消除多余的符号位 CMPT 间接寻址辅助寄存器修正方式控制位 用来决定ARP是否进行修正 CMPT 0在进行间接寻址单操作数时 不修正ARP CMPT 1在进行间接寻址单操作数时 修正ARP ASM 累加器移位方式控制位 为某些具有移位操作的指令设定一个从 16 15范围内的移位值 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 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 中断向量指针 CPU工作方式选择位 RAM重复占位标志 地址可见控制位 数据ROM映射选择位 时钟输出选择位 乘法饱和方式位 存储饱和位 TMS320C54x的片内外设 软件可编程等待状态发生器 可编程分区转换逻辑电路 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 外部总线关断控制 数据总线具有总线保持器特征 可编程定时器 时分多路串行口 TDM 缓冲串行口 BSP 多通道缓冲串行口 McBSP 并行主机接口 HPI TMS320C54x的存储器 64K字程序存储器 64K字数据存储器以及64K字I O空间 在C5408 C5409 C5402 C5410和C5420中程序存储器可以扩展 TMS320C54x的存储器分配 TMS320C54x的存储器由3个独立的可选择空间组成 程序空间 数据空间和I O空间 程序存储器空间包括程序指令和程序中所需的常数表格 数据存储器空间用于存储需要程序处理的数据或程序处理后的结果 I O空间用于与外部存储器映象的外设接口 也可以用于扩展外部数据存储空间 TMS320C54x的存储器分配 所有 C54x芯片都含有片内RAM和ROM 片内RAM SARAM DARAM 单寻址RAM 双寻址RAM DARAM 由存储器内的一些分块组成 每个DARAM块在单周期内能被访问2次 SARAM 由存储器分块组成 每个SARAM块在单周期内只能被访问1次 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 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 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 TMS320C54x的存储器分配 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 ADSP2100 MOTOROLADSP56002 LucentDSP1628 LucentDSP1600core 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