TigerSHARC結(jié)構(gòu)的ADSP-TS101及其應(yīng)用

　　ADSP-TS101是AD公司新一代TIgerSHARC結(jié)構(gòu)的數(shù)字信號處理器，具有多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)結(jié)構(gòu)；有兩個計算單元，每個單元包括算術(shù)邏輯單元(ALU)、移位寄存器(shift)、乘法器(mult)、寄存器組(register files)。Adsp-TS101性能比ADSP21160有顯著提高，且與之兼容，使得以ADSP21160開發(fā)的產(chǎn)品升級快速、簡捷。Adsp-TS101是64位處理器，工作在250 MHz時鐘下，可進(jìn)行32位定點(diǎn)和32位或40位浮點(diǎn)運(yùn)算，提供最高1500 MFLOPS(Millions of floating-pointoperations per second，每秒執(zhí)行百萬次浮點(diǎn)操作)的運(yùn)算能力；內(nèi)部具有6 M位雙口 SRAM，同時集成了I/O處理器，加上內(nèi)部總線，消除了I/O瓶頸。此外，Adsp-TS101適宜多處理器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成總線仲裁，通過鏈路(1ink)12I和外部(external)口可支持并行處理器，而不需任何附加邏輯電路，每一個處理器可直接讀寫任何一個并行處理器的內(nèi)存。本文簡要介紹其性能、應(yīng)用特點(diǎn)及芯片內(nèi)部的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能框圖，給出Adsp-TS101的一種典型應(yīng)用，并說明DSP的電源供電和功耗的計算方法。

　　1 Adsp-TS101的主要性能

　　Adsp-TS101的主要性能如下：

• 　　采用TigerSHARC結(jié)構(gòu)，具有3條獨(dú)立總線用于取指令、取數(shù)據(jù)、不間斷I/O；
• 　　指令周期4 ns，工作時鐘250 MHz；
• 　　單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)提供兩個運(yùn)算單元，每個有一個算術(shù)邏輯單元、乘法器、移位器、寄存器組，可同時在兩個運(yùn)算單元上進(jìn)行同一指令下對不同數(shù)據(jù)的32位操作；
• 　　提供最大1 500 MFLOPS運(yùn)算能力；
• 　　片內(nèi)6 M位雙口SRAM，允許CPU、Host和DMA的獨(dú)立存取；
• 　　有14個DMA通道，可進(jìn)行內(nèi)存和外存、外設(shè)、主處理器、串(serial)口、鏈路(1ink)口之間的數(shù)據(jù)傳輸；
• 　　有2個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器(IALU)，允許取模和按位取反操作；
• 　　片內(nèi)集成I/0處理器、6 M位雙口 SRAM，具有串行、連接、外部總線和JTAG測試口，支持多處理器結(jié)構(gòu)；
• 　　并行總線和多運(yùn)算單元，使單周期可執(zhí)行1次算術(shù)邏輯運(yùn)算、1次乘法、1次雙口SRAM的讀或?qū)?，以?次取指操作，CPU與內(nèi)存之間可進(jìn)行每周期4個32位浮點(diǎn)字的傳輸；
• 　　簇式多處理器最高可支持8個TigerSHARC Adsp-TS101。

　　Adsp-TS101性能測試如表1、2所列。

　　2 Adsp-TS101的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和功能簡介

　　圖1為ADSP一TSl01的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，Adsp-TS101包括PEX、PEY兩個運(yùn)算單元，每一個浮點(diǎn)運(yùn)算有一個算術(shù)邏輯單元、乘法器、移位器、32字寄存器組。另外，算術(shù)邏輯單元、乘法器、移位器為并行排列，可進(jìn)行單周期多功能操作，如在同一機(jī)器周期中算術(shù)邏輯單元和乘法器可同時進(jìn)行操作。

• 　　當(dāng)數(shù)據(jù)在存儲器和寄存器之間傳遞時，IALU提供存儲器的地址。每個IALU有一個算術(shù)邏輯單元、32字寄存器組。
• 　　程序控制器包括指令隊列緩沖器(IAB)和分支目標(biāo)緩沖器(BTB)。Adsp-TS101既有4個外部中斷IRQ3～O，也有內(nèi)部中斷。
• 　　3條128位總線提供高的寬帶連接。每個總線允許每個周期4條指令或4隊列數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。外部口和其他鏈路口的片上單元也用這些總線訪問存儲器。在每個周期僅能訪問一個存儲器塊，故DMA或外部口傳輸與處理器核在訪問同一塊時必須進(jìn)行競爭。
• 　　片內(nèi)6 M位SRAM，分為3個(M0、M1、M2)128位寬的2 M位的塊，可組合構(gòu)成數(shù)據(jù)、程序存儲器，每個SRAM與兩個總線相連，允許單周期內(nèi)完成和CPU之間4個數(shù)的傳輸。
• 　　外部口支持與片外存儲器、主機(jī)(host)及8片Adsp-TS101的多處理器接口。外部口支持同步、異步及突發(fā)式存取。
• 　　Adsp-TS101提供了4個鏈路口，每個鏈路口是8位雙向口，與SHARC DSP口不兼容。
• 　　DMA控制器支持獨(dú)立于處理器的后臺零等待數(shù)據(jù)傳輸。14個DMA通道分別與外部口(4)、鏈路(1ink)口(8)，autoDMA寄存器(2)相連，外部總線可采用8/16/32/64位字長進(jìn)行DMA操作。此外還有JTAG測試口及片內(nèi)仿真。
• 　　串口支持250 Mb/s的收發(fā)獨(dú)立的同步傳輸。
• 　　具有IEEE JTAG標(biāo)準(zhǔn)1149.1測試口和片內(nèi)仿真。
• 　　27 mm×27 mm或19 mm×19 mm PBGA封裝。
• 　　內(nèi)部ADD1.2 V，外部ADD3.3 V。

　　3 Adsp-TS101的典型應(yīng)用

　　根據(jù)ADSP-TS101的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出Adsp-TS101在雷達(dá)信號處理方面的典型應(yīng)用，如圖2所示。信號處理機(jī)主要由以下幾部分組成。

　　① 運(yùn)放及A/D。DPMCW接收機(jī)視頻輸出信號幅度為O～+4 V，經(jīng)運(yùn)放接收后，輸出到A/D的模擬輸入端。運(yùn)放及A/D分為I、Q兩路輸入，以32位定點(diǎn)數(shù)同時采集到DSP1，在DSP1內(nèi)分為I、Q兩部分進(jìn)行處理。

　?、?CPLD。CPLD內(nèi)部主要完成對數(shù)據(jù)的鎖存，產(chǎn)生A/D采樣時鐘、各個DSP的中斷請求信號和數(shù)據(jù)發(fā)送的同步信號。

　　③ DSP1。DSP1主要完成：A/D數(shù)據(jù)輸入變換，并輸出到DSP2；系統(tǒng)自舉。系統(tǒng)采用EPROM自舉方式，4個DSP的加載任務(wù)由DSP1完成。初始化時，DSP1通過鏈路口1發(fā)出一個控制字，將工作參數(shù)傳給DSP2、DSP3、DSP4。鏈路口3和鏈路口4用于系統(tǒng)自舉。

　　④ DSP2。DSP2完成2048點(diǎn)FFT運(yùn)算。輸入數(shù)據(jù)用鏈路口0和鏈路口2，輸出數(shù)據(jù)用鏈路口1和鏈路口3。鏈路口4用于系統(tǒng)自舉。

　?、?DSP3。DSP3完成門限判斷與固定目標(biāo)對消和動目標(biāo)運(yùn)動速度的校正。

　?、?DSP4和DPRAM。DSP4完成數(shù)據(jù)積累，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并輸出。

　　這個例子充分體現(xiàn)了ADSP-TSl01適宜多處理器結(jié)構(gòu)，通過鏈路(1ink)口支持串行處理器，而不需要任何附加邏輯電路的優(yōu)勢。

　　(1) 電源供電

　　Adsp-TS101有三個電源，其中數(shù)字3.3 V為l/0供電；數(shù)字1.2 V為DSP內(nèi)核供電；模擬1.2 V為內(nèi)部鎖相環(huán)和倍頻電路供電。Adsp-TS101要求數(shù)字3.3 V和數(shù)字1.2 V同時上電。如果無法嚴(yán)格同步，則應(yīng)保證核電源1.2 V先上電，l/0電源3.3 v后上電。本系統(tǒng)在數(shù)字3.3 V輸入端并聯(lián)了一個大電容，而在數(shù)字1.2 v輸入端并聯(lián)了一個小電容。其目的就是為了保證3.3 v充電時間大于1.2 v充電時間，以便很好地解決電源供電先后的問題。

　　(2)外部口功耗估計

　　外部口的功耗主要是輸出引腳(例如數(shù)據(jù)線的某個位由高到低，或由低到高)轉(zhuǎn)換的功率消耗，而且該功耗與系統(tǒng)無關(guān)。由于這種轉(zhuǎn)換的外部平均電流為0.137 A，因此，功耗為PDD=VD×lDD=3.3 V×0.137 A="0".45 W

　　(3)內(nèi)核功耗估計

　　內(nèi)核最大電流為1.277 A。該電流是DSP進(jìn)行單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)方式下，4個16位定點(diǎn)字乘加與2個四字讀取并行操作以及進(jìn)行由外部口到內(nèi)部存儲器DMA操作所需的電流。實(shí)際上，DSP內(nèi)核電流大小還和內(nèi)核工作頻率有關(guān)，圖3所示是其內(nèi)核電流與頻率的關(guān)系曲線。因此，供給DSP內(nèi)核電流可根據(jù)不同的并行處理任務(wù)和內(nèi)核工作頻率來確定。若并行處理較少，工作頻率低，所需電流就小。這樣，最大內(nèi)核功耗為PDD=VDD×IDD=1.2 V×1.277 A="1".534 W。

　　本文介紹了Adsp-TS101芯片及其在雷達(dá)信號處理方面的應(yīng)用。該應(yīng)用系統(tǒng)充分利用了Adsp-TS101高速的運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)吞吐量大以及易于多片連接，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行串行處理的特點(diǎn)。文中還討論了DSP應(yīng)用過程中的電源設(shè)計和功耗問題，因而具有一定的工程指導(dǎo)意義。目前該系統(tǒng)已成功用于某雷達(dá)系統(tǒng)。