DSP芯片介紹及其選型
引言
DSP芯片也稱數(shù)字信號處理器,是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器具,其主機應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特點:
(1)在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法;
(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開,可以同時訪問指令和數(shù)據(jù);
(3)片內(nèi)具有快速RAM,通??赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問;
(4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持;
(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持;
(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器;
(7) 可以并行執(zhí)行多個操作;
(8)支持流水線操作,使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。
在我們設計DSP應用系統(tǒng)時, DSP芯片選型是非常重要的一個環(huán)節(jié)。在DSP系統(tǒng)硬件設計中只有選定了DSP芯片,才能進一步設計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。因此說,DSP芯片的選擇應根據(jù)應用系統(tǒng)的實際需要而確定,做到既能滿足使用要求,又不浪費資源,從而也達到成本最小化的目的。
DSP實時系統(tǒng)設計和開發(fā)流程如圖1所示。
主要DSP芯片廠商及其產(chǎn)品
德州儀器公司
眾所周知,美國德州儀器(Texas Instruments,TI)是世界上最知名的DSP芯片生產(chǎn)廠商,其產(chǎn)品應用也最廣泛,TI公司生產(chǎn)的TMS320系列DSP芯片廣泛應用于各個領域。TI公司在1982年成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010,這是DSP應用歷史上的一個里程碑,從此,DSP芯片開始得到真正的廣泛應用。由于TMS320系列DSP芯片具有價格低廉、簡單易用、功能強大等特點,所以逐漸成為目前最有影響、最為成功的DSP系列處理器。
目前,TI公司在市場上主要有三大系列產(chǎn)品:
(1)面向數(shù)字控制、運動控制的TMS320C2000系列,主要包括TMS320C24x/F24x、TMS320LC240x/LF240x、TMS320C24xA/LF240xA、TMS320C28xx等。
(2)面向低功耗、手持設備、無線終端應用的TMS320C5000系列,主要包括TMS320C54x、TMS320C54xx、TMS320C55x等。
(3)面向高性能、多功能、復雜應用領域的TMS320C6000系列,主要包括TMS320C62xx、TMS320C64xx、TMS320C67xx等。
美國模擬器件公司
ADI公司在DSP芯片市場上也占有一定的份額,相繼推出了一系列具有自己特點的DSP芯片,其定點DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ADSP2111/2115、ADSP2126/2162/2164、ADSP2127/2181 、ADSP-BF532以及Blackfin系列,浮點DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062,以及虎鯊TS101,TS201S。
Motorola公司
Motorola 公司推出的DSP芯片比較晚。 1986年該公司推出了定點DSP 處理器MC56001;1990年,又 推出了與IEEE浮點格式兼容的的浮點DSP芯片MC96002。
還有DSP53611、16位DSP56800、24位的DSP563XX和MSC8101等產(chǎn)品。
杰爾公司
杰爾公司的SC1000和SC2000兩大系列的嵌入式DSP內(nèi)核,主要面向電信基礎設施、移動通信、多媒體服務器及其它新興應用。
DSP芯片的選型參數(shù)
根據(jù)應用場合和設計目標的不同,選擇DSP芯片的側(cè)重點也各不相同,其主要參數(shù)包括以下幾個方面:
(1)運算速度:首先我們要確定數(shù)字信號處理的算法,算法確定以后其運算量和完成時間也就大體確定了,根據(jù)運算量及其時間要求就可以估算DSP芯片運算速度的下限。在選擇DSP芯片時,各個芯片運算速度的衡量標準主要有:
MIPS(Millions of Instructions Per Second),百萬條指令/秒,一般DSP為20~100MIPS,使用超長指令字的TMS320B2XX為2400MIPS。必須指出的是這是定點DSP芯片運算速度的衡量指標,應注意的是,廠家提供的該指標一般是指峰值指標,因此,系統(tǒng)設計時應留有一定的裕量。
MOPS(Mill
ions of Operations Per Second),每秒執(zhí)行百萬操作。這個指標的問題是什么是一次操作,通常操作包括CPU操作外,還包括地址計算、DMA訪問數(shù)據(jù)傳輸、I/O操作等。一般說MOPS越高意味著乘積-累加和運算速度越快。MOPS可以對DSP芯片的性能進行綜合描述。
MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second),百萬次浮點操作/秒,這是衡量浮點DSP芯片的重要指標。例如TMS320C31在主頻為40MHz時,處理能力為40MFLOPS,TMS320C6701在指令周期為6ns時,單精度運算可達1GFLOPS。浮點操作包括浮點乘法、加法、減法、存儲等操作。應注意的是,廠家提供的該指標一般是指峰值指標,因此,系統(tǒng)設計時應注意留有一定的裕量。
MBPS(Million Bit Per Second),它是對總線和I/O口數(shù)據(jù)吞吐率的度量,也就是某個總線或I/O的帶寬。例如對TMS320C6XXX、200MHz時鐘、32bit總線時,總線數(shù)據(jù)吞吐率則為800Mbyte/s或6400MBPS。
ACS(Multiply-Accumulates Per Second),例如TMS320C6XXX乘加速度達300MMACS~600MMACS。
指令周期,即執(zhí)行一條指令所需的時間,通常以ns(納秒)為單位,如TMS320LC549-80在主頻為80MHz是的指令周期為12.5ns。
MAC時間,執(zhí)行一次乘法和加法運算所花費的時間:大多數(shù)DSP芯片可以在一個指令周期內(nèi)完成一次MAC運算。
FFT/FIR執(zhí)行時間,運行一個N點FFT或N點FIR程序的運算時間。由于FFT運算/FIR運算是數(shù)字信號處理的一個典型算法,因此,該指標可以作為衡量芯片性能的綜合指標。
表1是基于上述某些參數(shù)對一些DSP芯片所作的比較。
(2)運算精度: 一般情況下,浮點DSP芯片的運算精度要高于定點DSP芯片的運算精度,但是功耗和價格也隨之上升。一般定點DSP芯片的字長為16位、24位或者32位,浮點芯片的字長為32位。累加器一般都為32位或40位。 定點DSP的特點是主頻高、速度快、成本低、功耗小,主要用于計算復雜度不高的控制、通信、語音/圖像、消費電子產(chǎn)品等領域。通??梢杂枚c器件解決的問題,盡量用定點器件,因為它經(jīng)濟、速度快、成本低,功耗小。但是在編程時要關注信號的動態(tài)范圍,在代碼中增加限制信號動態(tài)范圍的定標運算,雖然我們可以通過改進算法來提高運算精度,但是這樣做會相應增加程序的復雜度和運算量。浮點DSP的速度一般比定點DSP處理速度低,其成本和功耗都比定點DSP高,但是由于其采用了浮點數(shù)據(jù)格式,因而處理精度,動態(tài)范圍都遠高于定點DSP,適合于運算復雜度高,精度要求高的應用場合;即使是一般的應用,在對浮點DSP進行編程時,不必考慮數(shù)據(jù)溢出和精度不夠的問題,因而編程要比定點DSP方便、容易。因此說,運算精度要求是一個折衷的問題,需要根據(jù)經(jīng)驗等來確定一個最佳的結(jié)合點。
(3)字長的選擇:一般浮點DSP芯片都用32位的數(shù)據(jù)字,大多數(shù)定點DSP芯片是16位數(shù)據(jù)字。而Motorola公司定點芯片用24位數(shù)據(jù)字,以便在定點和浮點精度之間取得折衷。字長大小是影響成本的重要因素,它影響芯片的大小、引腳數(shù)以及存儲器的大小,設計時在滿足性能指標的條件下,盡可能選用最小的數(shù)據(jù)字。
(4)存儲器等片內(nèi)硬件資源安排:包括存儲器的大小,片內(nèi)存儲器的數(shù)量,總線尋址空間等。片內(nèi)存儲器的大小決定了芯片運行速度和成本,例如TI公司同一系列的DSP芯片,不同種類芯片存儲器的配置等硬件資源各不相同。通過對算法程序和應用目標的仔細分析可以大體判定對DSP芯片片內(nèi)資源的要求。幾個重要的考慮因素是片內(nèi)RAM和ROM的數(shù)量、可否外擴存儲器、總線接口/中斷/串行口等是否夠用、是否具有A/D轉(zhuǎn)換等。
(5)開發(fā)調(diào)試工具:完善、方便的的開發(fā)工具和相關支持軟件是開發(fā)大型、復雜DSP系統(tǒng)的必備條件,對縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期有很重要的作用。開發(fā)工具包括軟件和硬件兩部分。軟件開發(fā)工具主要包括:C編譯器、匯編器、鏈接器、程序庫、軟件仿真器等,在確定DSP算法后,編寫的程序代碼通過軟件仿真器進行仿真運行,來確定必要的性能指標。硬件開發(fā)工具包括在線硬件仿真器和系統(tǒng)開發(fā)板。在線硬件仿真器通常是JTAG周邊掃描接口板,可以對設計的硬件進行在線調(diào)試;在硬件系統(tǒng)完成之前,不同功能的開發(fā)板上實時運行設計的DSP軟件,可以提高開發(fā)效率。甚至在有的數(shù)量小的產(chǎn)品中,直接將開發(fā)板當作最終產(chǎn)品。
(6)功耗與電源管理:一般來說個人數(shù)字產(chǎn)品、便攜設備和戶外設備等對功耗有特殊要求,因此這也是一個該考慮的問題。它通常包括供電
電壓的選擇和電源的管理功能。供電電壓一般取得比較低,實施芯片的低電壓供電,通常有3.3V、2.5V,1.8V,0.9V等,在同樣的時鐘頻率下,它們的功耗將遠遠低于5V供電電壓的芯片。加強了對電源的管理后,通常用休眠、等待模式等方式節(jié)省功率消耗。例如TI公司提供了詳細的、功能隨指令類型和處理器配置而改變的應用說明。
(7)價格及廠家的售后服務因素:價格包括DSP芯片的價格和開發(fā)工具的價格。如果采用昂貴的DSP芯片,即使性能再高,其應用范圍也肯定受到一定的限制。但低價位的芯片必然是功能較少、片內(nèi)存儲器少、性能上差一些的,這就帶給編程一定的困難。因此,要根據(jù)實際系統(tǒng)的應用情況,確定一個價格適中的DSP芯片。還要充分考慮廠家提供的的售后服務等因素,良好的售后技術(shù)支持也是開發(fā)過程中重要資源。
(8)其他因素:包括DSP芯片的封裝形式、環(huán)境要求、供貨周期、生命周期等。
DSP應用選型舉例
面向數(shù)字控制、運動控制的DSP 系統(tǒng)開發(fā)的DSP芯片選型
面向數(shù)字控制、運動控制主要有磁盤驅(qū)動控制、引擎控制、激光打印機控制、噴繪機控制、馬達控制、電力系統(tǒng)控制、機器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機床等。當然這些主要是針對數(shù)字運動控制系統(tǒng)設計的應用,在這些系統(tǒng)的控制中,不僅要求有專門用于數(shù)字控制系統(tǒng)的外設電路,而且要求芯片具有數(shù)字信號處理器的一般特征。
例如在控制直流無刷電動機的DSP控制系統(tǒng)中,直流無刷電機運行過程要進行兩種控制,一種是轉(zhuǎn)速控制,也即控制提供給定子線圈的電流;另一種是換相控制,在轉(zhuǎn)子到達指定位置改變定子導通相,實現(xiàn)定子磁場改變,這種控制實際上實現(xiàn)了物理電刷的機制。因此這種電機需要有位置反饋機制,比如霍爾元件、光電碼盤,或者利用梯形反電動勢特點進行反電動勢過零檢測等。電機速度控制也是根據(jù)位置反饋信號,計算出轉(zhuǎn)子速度,再利用PI或PID等控制方法,實時調(diào)整PWM占空比等來實現(xiàn)定子電流調(diào)節(jié)。因此,控制芯片要進行較多的計算過程。當然也有專門的直流無刷電機控制芯片;但一般來說,在大多數(shù)應用中,除了電機控制,總還需要做一些其他的控制和通信等事情,所以,選用帶PWM,同時又有較強數(shù)學運算功能的芯片也是一種很好的選擇。
Motorola的數(shù)字信號處理器DSP568xx系列整合了通用數(shù)字信號處理器快速運算功能和單片機外圍豐富的特點,使得該系列特別適合于那些要求有較強的數(shù)據(jù)處理能力,同時又要有較多控制功能的應用中,對直流無刷電機的控制就是這一系列DSP的典型應用之一。
除此之外,數(shù)字運動控領域還有TI公司的TMS320C24x系列,TMS320Lx240xx系列,特別是TMS320LF2407A在控制方面得到了非常廣泛的應用,TMS320LF2407A作為一款專門面向數(shù)字控制系統(tǒng)進行優(yōu)化的通用可編程微處理器,不僅具有低功耗和代碼保密的特點,而且它集成了極強的數(shù)字信號處理能力,又集成了數(shù)字控制系統(tǒng)所必需的輸入、輸出、A/D轉(zhuǎn)換、事件捕捉等外設,其時鐘頻率為40MHz,指令周期小于50ns,采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù),在一個指令周期內(nèi)可以執(zhí)行幾條指令。
從運行速度,精度角度來講上述兩款芯片相差無幾,但是TMS320LF2407A的調(diào)試開發(fā)環(huán)境(CCS)更加成熟,可參考的資料也更豐富,這樣無疑會減少開發(fā)周期。 面向低功耗、手持設備、無線終 端應用的DSP芯片選型
C54X、C54XX、C55X 相比其它系列的主要特點是低功耗,所以最適合個人與便攜式上網(wǎng)以及無線通信應用,如手機、PDA、GPS等應用。處理速度在80~400MIPS之間。C54XX和C55XX 一般只具有McBSP同步串口、HPI并行接口、定時器、DMA等外設。值得注意的是C55XX提供了EMIF外部存儲器擴展接口,可以直接使用SDRAM,而C54XX則不能直接使用。
未來DSP發(fā)展趨勢
在相當長的時期內(nèi),無線應用仍將是可編程DSP市場的驅(qū)動引擎。DSP技術(shù)仍將是能夠訪問窄帶、寬帶或是無線互聯(lián)網(wǎng)的主要手段,它還是新興的分組(IP)電話市場的關鍵技術(shù),DSP仍將是整個半導體工業(yè)的技術(shù)驅(qū)動力。
在產(chǎn)品應用上,目前重要的DSP應用產(chǎn)品,如移動電話、調(diào)制解調(diào)器、HDD等個人計算機與通訊領域應用產(chǎn)品。但種種跡象表明,數(shù)字革命促進了高性能DSP的廣泛應用,如數(shù)碼相機、VoIP電話和手持電子設備等。中國在消費電子產(chǎn)品上的發(fā)展更為引人注目,許多消費類電子產(chǎn)品需要更低成本、更易使用的DSP產(chǎn)品,如音響設備、DVR、機頂盒等。整體來看,DSP應用在通訊領域、數(shù)字影音的產(chǎn)品將越來越普及。
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