嵌入式DSP處理器μDSP的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)高速增長(zhǎng)，DSP芯片產(chǎn)品需求量持續(xù)增大，雖然有一些集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)從事DSP系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，但在DSP芯片的研發(fā)上，只在某些大學(xué)、科研院所做過(guò)預(yù)研性課題，還沒(méi)有形成自己的獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，因此對(duì)DSP處理器的設(shè)計(jì)有不可估量的作用，而體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是處理器設(shè)計(jì)的靈魂，處理器的設(shè)計(jì)首先從體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)始，DSP處理器的體系結(jié)構(gòu)一直緊緊圍繞著DSP算法和各種應(yīng)用的不斷發(fā)展而改進(jìn)和優(yōu)化，隨著各種并行處理技術(shù)（VLIW，SIMD，超標(biāo)量，多處理機(jī)等）、可重構(gòu)技術(shù)和低功耗體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)，使各種新的DSP處理器體系結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，使得如今的DSP處理器性能不斷提高，并使它們?cè)谕ㄐ?、自?dòng)控制、雷達(dá)、氣象、導(dǎo)航、機(jī)器人等許多嵌入式實(shí)時(shí)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而這些領(lǐng)域都要求處理器是高速、低功耗的。因此我們?cè)趯?duì)當(dāng)前DSP體系結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展的全面考察的基礎(chǔ)上，考慮到低功耗、低成本、高性能等要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)16位嵌入式定點(diǎn)DSP處理器μDSP的體系結(jié)構(gòu)，如圖1。

下面就μDSP的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)、流水線(xiàn)設(shè)計(jì)、特殊的指令系統(tǒng)、尋址方式、強(qiáng)大的控制部件和高速的運(yùn)算單元等幾個(gè)方面對(duì)μDSP的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1．改進(jìn)型哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)

由于DSP處理器主要應(yīng)用于各類(lèi)數(shù)據(jù)運(yùn)算，數(shù)據(jù)吞吐率都非常大。特別是進(jìn)行乘累加運(yùn)算時(shí)，需要2個(gè)甚至3個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)參與運(yùn)算，傳統(tǒng)的馮?諾曼結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)據(jù)和指令存取的需求，所以，DSP處理器普遍采用哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。雖然哈佛結(jié)構(gòu)使用采取分開(kāi)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以滿(mǎn)足同時(shí)存取數(shù)據(jù)和取指令的需求，但是這種結(jié)構(gòu)由于缺乏指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的靈活性，使得存儲(chǔ)器空間不能得到靈活、充分的使用。

為進(jìn)一步提高性能，μDSP采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，在采用分開(kāi)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的同時(shí)，允許數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。程序存儲(chǔ)器的大小為32K*24bit（指令為24位寬），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器大小為32K*16bit（數(shù)據(jù)位寬為16）。

采用4總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，這4條總線(xiàn)分別是程序地址總線(xiàn)（PMA）、程序數(shù)據(jù)總線(xiàn)（PMD），數(shù)據(jù)地址總線(xiàn)（DMA）、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DMD）。存儲(chǔ)器采用同步SRAM，并采用流水線(xiàn)方式存取數(shù)據(jù)和指令，完成一次訪(fǎng)問(wèn)需經(jīng)過(guò)兩級(jí)流水線(xiàn)。為進(jìn)一步提高存取靈活性，程序總線(xiàn)既可以取指令，又可以存取數(shù)據(jù)，既可訪(fǎng)問(wèn)程序存儲(chǔ)器，又可以訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。另外，為了減少存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)周期，增加了一個(gè)片內(nèi)指令Cache，用來(lái)存放常用的指令，Cache的大小為64*43bit，可存儲(chǔ)64個(gè)指令－地址對(duì)。指令Cache采用組相聯(lián)映射方式，并采取最近最少使用（Least Recently Used）替換策略。

這種改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)不僅提高了指令和數(shù)據(jù)存取的效率，還提高了存儲(chǔ)器的利用率，是一種比較好的結(jié)構(gòu)。

2．六級(jí)流水線(xiàn)設(shè)計(jì)

流水線(xiàn)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代處理器設(shè)計(jì)的核心。流水線(xiàn)的設(shè)計(jì)要考慮諸多的因素，比如流水線(xiàn)各級(jí)的平衡、流水線(xiàn)的吞吐率以及流水線(xiàn)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等方面，我們采用六級(jí)流水線(xiàn)設(shè)計(jì)，每一級(jí)的名稱(chēng)及需要完成的如下功能：

（1）Look-Ahead Address (LA)：這一階段程序控制器從各個(gè)地址來(lái)源中選出本時(shí)鐘進(jìn)入流水線(xiàn)的指令的地址，把指令地址放在PMA總線(xiàn)上，它也用于解決總線(xiàn)沖突問(wèn)題。因?yàn)镻MA總線(xiàn)可能同時(shí)被LA和AD兩個(gè)階段使用，這時(shí)總線(xiàn)發(fā)生沖突，程序控制器就查找這條指令是否在Cache里。如果命中（Hit），指令就從Cache中提前取出，使得AD可以使用總線(xiàn)；如果不命中（Miss），就讓AD優(yōu)先使用總線(xiàn)，程序控制器在下一個(gè)周期得到PMA總線(xiàn)。

（2）Prefetch Address (PA)：這一階段把指令地址送到存儲(chǔ)器，開(kāi)始取指令。由于使用的是同步兩級(jí)流水SRAM，這一階段指令并沒(méi)有馬上被取出，要到下一周期結(jié)束時(shí)才完成取指過(guò)程。

（3）Fetch Address (FA)：這一階段指令通過(guò)PMD總線(xiàn)從存儲(chǔ)器取出。因?yàn)榇鎯?chǔ)器需要兩個(gè)周期的時(shí)間完成訪(fǎng)問(wèn)，即從地址放在總線(xiàn)上到得到數(shù)據(jù)需要兩個(gè)周期，所以上一周期開(kāi)始的取指令到這個(gè)周期結(jié)束。

（4）Address Decode (AD)：指令的某些部分被譯碼，比如DAG操作。如果指令需要存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)的地址就放在適當(dāng)?shù)牡刂房偩€(xiàn)上。同時(shí)將沒(méi)有解碼的部分送到下一級(jí)。

（5）Instruction Decode (ID)：這個(gè)階段對(duì)指令的其余部分譯碼。同時(shí)也用于等待存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)，由于取數(shù)據(jù)同樣要兩個(gè)周期。

（6）Execute (PC)：這一階段執(zhí)行指令，設(shè)置各狀態(tài)標(biāo)志位，并把結(jié)果寫(xiě)到適當(dāng)?shù)募拇嫫髦小?BR>
3．特殊的指令系統(tǒng)

處理器的設(shè)計(jì)首先從指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始，不同的指令系統(tǒng)也決定了不同的處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，μDSP的指令系統(tǒng)非常豐富，可以完成各種DSP算法所要求的功能，大體來(lái)說(shuō)，需要設(shè)計(jì)以下4大類(lèi)指令：程序流控制指令，數(shù)據(jù)移動(dòng)指令，運(yùn)算指令和多功能指令。必須滿(mǎn)足以下要求：

（1）24位指令寬度；
（2）高密度指令編碼；
（3）提供多功能指令，使得一條指令可完成多個(gè)操作；
（4）支持雙字指令；
（5）提供零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)指令；
（6）與主流DSP（ADI公司的ADSP219x系列）兼容。

4．靈活的尋址方式

由于DSP算法的獨(dú)特性，一般通用處理器的普通尋址方式不能滿(mǎn)足要求，所以DSP處理器一般采用許多特殊的、靈活的尋址方式。μDSP中主要有6種尋址方式：直接尋址、前變址尋址、后變址尋址、循環(huán)尋址、位反尋址、分頁(yè)尋址。要實(shí)現(xiàn)這些尋址方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)地址發(fā)生器（DAG），如下圖2，考慮到μDSP可以同時(shí)對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)DAG，它們的不同之處在于：DAG1只能產(chǎn)生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址，但有位反功能；DAG2可以產(chǎn)生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址也可以產(chǎn)生程序存儲(chǔ)器的地址，但是沒(méi)有位反功能。它有4個(gè)寄存器組：索引寄存器組（I Registers）、修改寄存器組（M Registers），長(zhǎng)度寄存器組（L Registers）和基址寄存器組（B Registers）。每個(gè)寄存器組有4個(gè)16位的寄存器，可以通過(guò)DMD總線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)。I寄存器組存放訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器的實(shí)際地址，M寄存器組用于保存地址偏移量，L寄存器組和B寄存器組則是專(zhuān)門(mén)用于循環(huán)尋址的，前者保存循環(huán)尋址中數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度，后者保存循環(huán)尋址的首地址。圖中虛線(xiàn)框中部分為DAG1所獨(dú)有。

5．強(qiáng)大的控制部件

控制部件是完成整個(gè)DSP處理器各個(gè)部分之間協(xié)調(diào)工作的重要部件。控制部件主要負(fù)責(zé)指令地址的產(chǎn)生、流水線(xiàn)的控制以及處理各種相關(guān)、異常、中斷等工作，以保證數(shù)據(jù)通路的正常工作。控制部件的任務(wù)是非常艱巨的，沒(méi)有一個(gè)功能強(qiáng)大的控制部件，整個(gè)DSP處理器將無(wú)法正常工作。μDSP的控制部件按照功能可以大致分為指令地址選擇邏輯、流水線(xiàn)控制邏輯、循環(huán)控制邏輯和中斷控制器等幾部分。

6．高速的運(yùn)算單元

運(yùn)算單元是DSP處理器的執(zhí)行部件，是實(shí)現(xiàn)各種DSP算法的核心部分。所有算法的實(shí)現(xiàn)都是由運(yùn)算單元的基本功能組合而成，所有的其他部件如控制部件、數(shù)據(jù)通路都是為運(yùn)算單元服務(wù)的，為運(yùn)算單元提供各種控制和充分的數(shù)據(jù)。μDSP有3個(gè)功能強(qiáng)大的高速運(yùn)算單元：算術(shù)邏輯單元（ALU），乘法累加單元（MAC），移位器（Shifter）。

處理器的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的工作，體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是處理器設(shè)計(jì)的靈魂，設(shè)計(jì)者面臨的任務(wù)非常復(fù)雜，要確定處理器的應(yīng)用目標(biāo)，針對(duì)應(yīng)用目標(biāo)需求判斷哪些特征是最重要的，然后在不超出成本的范圍內(nèi)力求性能最高。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：主要對(duì)μDSP的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，定義了六級(jí)流水線(xiàn)的名稱(chēng)和功能，指出了特殊的指令系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的要求，給出了μDSP的體系結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，并詳細(xì)介紹了一個(gè)數(shù)據(jù)地址發(fā)生器的設(shè)計(jì)等。