02DSP硬件结构(精)

1、SPU木讲 乂，2010电电TEXASINSTRUMENTSDSP的硬件结构，大体上与通用的微处理器相似，由 CPU、存储 器、总线、外设、接口、时钟等部 分组成，但又有其鲜明的特点。SOUTHCENTRAL IMVERSJIY R* MMIOMAUTODSPft术数字信号处理器的硬件结构DSP的硬件结构DSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTS冯诺依曼结构冯诺伊曼( (Von Neuman )结构DSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTS改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即 一条程序总线和多条数据总线.DSP 技术讲义， 2010竣TEXAS

2、INSTRU哈佛结构Harvard）CPU数据总线.DB地址总线 ABi/o 口 出心朋口 DSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTS流水线流水线操作是由6个操作阶段或操作周期组成.在任何 一个机器周期内，可以有1 6条不同的指令在同时工作， 每条指令可在不同的周期内工作在不同的操作阶段.预取指P取指F译码D寻址A读数R执行X预取指P取指F译码D寻址A读数R执行X预取指P取指F译码D寻址A读数R执行X预取指P取指F译码D寻址A读数R执行X:在卷积.数字滤波.FFT.相关.矩阵 运算等算法中，都有EA (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，需用若

3、 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。DSP 技术讲爻.2010%TEXAS独(n-k)DSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTS有一组或多组独立的DMA总线,与CPU的程序总线和数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下,DMA速度目前已达800MBps(Millions Bytes/s )的TMS320C2000系列DSP控制器，集成了flash存储器、高速A/D和可靠的CAN模块，主要应用于数字化的控制。独立的 DMA 总线和控制器DSP 技术讲义、2010%TEXAS1.0 TMS320C2000系列DSPDSP

4、 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTS C2000系列，主要有C24X和C28x两个系列。High-Precision Control,Appliarwe &Up TO 40MIPSDSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTSq1.1 TMS320C24x的内核CPU TMS320C24X中央处理单元（CPU）釆用并行的体系结构，CPU可在单指令周期内执行高速的 算术运算。CPU包括三个基本组成部分：输入定 标单元.乘单元和中央算术逻辑单元（CALU）,结构如下图所示输入定标单元-乘单元-中央算术逻辑单元（CALUCALU）DSP 技术讲义.2010

5、% TEXASINSTRUMENTSData write bus(DWEB)C24x的CPUDSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTS输入定标单元32位的输入数据定标移位器把存储器中送 来的16位值调整送至32位的中央算术逻辑单元 （CALUCALU）。数据调整对于算术运算、数据定标 和逻辑运算时非常必要。Data read bus DRDB）输入移位器作为程序“ A A/数据空间至CALU间 J /数据通路一部分，不会占用 时钟的开销。前&後 /孚、卢 2010曲 IfexASINSTRUMENTS乘单元C24xC24x使用16位 x16位的硬件乘法器在单周期内产

6、生有 符号或无符号的32位结果，乘单元包括：1、用来保存一个乘数的16位暂时寄存器（TREG）2、 乘法器3、32位乘积寄存器（PREG）4、 乘积移位器iProer&i read busX (PRDB)DSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTSDSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTS中央算术逻辑单元主要组成部分包括:1 中央算术逻辑单元（CALU） 544字x 16位片内数据/程序双口RAM 16K字x 16位片内程序ROM或FLASH224K字xl6位最大寻址空间（64K字程序空 间、64K字数据空间、64K字I/O空间和32K字全 局数据

7、空间）外部存储器接口模块：软件等待状态发生器.16位地址/数据总线支持硬件等待状态中央算术逻辑单元2、32位累加器（ACC）3.输出移位器DSP 技术讲义.2010竣TEXASINSTRUMENTS1.2 C24x存储器与工/O空间)SP 技术讲义.2010% TEXASINSTRUMENTS公司的TMS320C5000系列DSP处理器，具有高度的操作 灵活性、较高运行速度、高电源效率以及较高的性价比。主 要用于远程通信和便携式装置中 C5000系列，主要有C54x和C55x两个系列。1 3 TMS320C28X系歹UDSP C28x是TT公司近年推出的高性价比32位定点DSP处理器。 它集中

8、了数字信号处理.精简指令集(RISC).微控制器 的结扁(MCU)、囱化的软甘( (Firmware)和各种开发工真。Fastprogram110-120MPS withF ashAcceorationtrolPonsEventManagers 16.7MSPSConversionSpeed Dual s/hjflkuto_SMuancar_ un to lrersions v7oCPUCommunicationsMultiplestandardcommuTarget ApplicationOpticalNetwork ng,PowerDSP 技术讲义.2010它它TfexASTMS320C5

9、000系列DSPIn SiliconC5441632 MIPSDSP1AIX todnr. IMS Froductlon mid 2003MemC5409IGOZC5X(PNulticorAnnouncementcost FingerprintWNIhWMUJM*zcoeC5420200 MIPSOMAP*S5x*ARM9C55072SKB冃ui-C551U320-440DSP 拽术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTSTMS320C54x DSP的结构是以8组16位总线为 核心，形成了支持高速指令执行的硬件基础。8个辅助寄“器2个寻址取元2.0 TMS320C54x系列DSP简介

10、TMS320C54X的硕件结构图竣TEXASINSTRUMENTS4K WordProgramROMIGK-WordProgram/Data RAMIEEE 1149.1 杯准测试/仿宾McBSPO（?通迢缓冲弗U0）乘加器算术逻辑单元17X17乘法器40位加法器40位斤术逻辑吃元Viterbiy译蘇 指数编码器McBSP!（参通道缓冲申门1）定时器40位桶形移位器40位累加器A40位累加轶件尊待状态发生器PLL时钟发I器DSP 技术讲义， 2010DSP 技术讲爻、2010% TEXASINSTRUMENTS、2.1 TMS320C54x主要特性1 CPU采用先进的多总线结构，通过1组程序总

11、 线.3组数据总线和4组地址总线来实现。丿40位算术逻辑运算单元ALU,包括1个40位桶形移位寄存器和2个独立的40位累加器. 17x 174i并行乘法器，与40位专用加法 器相连可用于进行非流水线的单周期乘法-累加运 算。比较、选择、存储单元（CSSU）,可用于Viterbi译码器的加法比较选择运 算 指数编码器，是一个支持单周期指 令EXP的专用硬件。可以在一个周期内计算40位累加器数值的指数。配有两个地址生成器，包括8个辅助 寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元（ARAU） oDSP 技术讲爻、2010竣TEXASINSTRUDSP 技术讲爻、2010% TEXASINSTRUMENTS4

12、2 存储器(MEMORY)可访问的最大存储空间为192KX16位，即64K字的程序存储器.64K字的数据存储器以及64K字的I/O空间。片内ROM,可配置为程序存储器和数据存储 器.片内RAM有两种类型，即双寻址RAM (DARAM)和单寻址RAM ( SARAM)。3.在片外围电路(Peripherals on chip)具有软件可编程等待状态发生器设有可编程分区转换逻辑电路带有内部振荡器或外部时钟源的片内锁相环( (PLL)发生器支持全双工操作的串行口，可进行或lfrti串行通 信带4位预定标器的16位可编程定时器设有与主机通信的并行接口( (HP工)具有外部总线判断控制，以断开外部的数据

13、总线、地 址总线和控制信号%TEXASDSP 技术讲义.2010DSP 技术讲爻、2010% TEXASINSTRUMENTS数据总线具有总线保持特性DSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTS44 电源具有多种节电模式.可用IbLEl. IDLE2和工DLE3指令来控制芯 片功耗，使CPU工作在省电方式.可在软件控制下，禁止CLKOUT输出信号。5 片内仿真接口具有符合IEEE1149.1标准的片内仿真接口. 5.0V电压的器件，其速度可达到40MIPS,指令周期时间为25nso3.3V电压的器件，其速度可达到80MIPS,指 令周期时间为12.5ns.2.5V电压的器件，

14、其速度可达到1OOM1PS,指令周期时间为10ns。%TEXASDSP 技术讲义， 20106.速度DSP 技术讲义，2010% TEXASINSTRUMENTS每个核的指令周期时间为5ns。1.8V电其速度可DSP 技术讲爻、2010% TEXASINSTRUMENTSI 2.3 TMS320C54x引脚功能TMS320C5402共有144个引脚，引脚分布如图。UUUUUHUUUJLHJU匚UUUUUUUUUUUUUUUUUUUH17II1*202TMS320VC5402307931”32773373475357436、8。o Z5Fn9ZflD6O一9、O 一 卜 6O花电源引脚 时钟引脚

15、 控制引脚 地址和数据引脚 串行口引脚 主机接口引脚 通用工/O 引脚 测试引脚DSP 技术讲义，2010竣TEXASINSTRUMENTSf? ? ? 5 ! e S 5NCNC0DVDDA104HU7All1A121*13A14pAla1H：r9HAS佃啦HCMlUiW fRf AJ1Y恬rRJ132rrtf?2324TrnTTrr25XFhr.ri AL,则AH*AR1, TRN左移1位，0-TRN(0),OTC；2若AH*AR1, TRN左移1位，1TRN(0),1-TCo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，累加器中的指数值能以二进制补码的形式存储 在T寄存器

16、中，范围为8至31。指数值定义为前面的冗余符 号位数减8的差值，即累加器中为消除非有效符号位向左所需 移动的位数。A=1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100 1011共有33个冗余符号位1,33-8=25DSP 技术讲义.2010竣TEXASINSTRU2.4.6指ForExample:A = FFFFFFFFCBEXP A累加器A指数编码器ExpExpT寄存器DSP 技术讲爻、2010% TEXASINSTRUMENTS42.4.7 CPU状态和控制寄存器*C54x提供三个16位寄存器来作为CPU状态和控制寄存 器，它们分别为：状态奇存器0

17、(STO)状态寄存器1 (ST1)处理器方式状态寄存器(PMST)STO和ST1主要包含各种工作条件和工作方式的状态；PAAST包含存储器的设置状态和其他控制信息.有&敖 /卑电电IfexAS INSTRUMENTS1.状态寄存器0 (STO)主要反映处理器的寻址要求和计算机的运行状态.STO的结构:1513121110980STO：ARPTCcOVAOVBDPDSP 技术讲爻、2010% TEXASINSTRUMENTSD肥数锯存篦器页荷针 畀曲伊的低7厂M位物曜隐翳的纲址。DSP 技术讲爻、2010% TEXASINSTRUMENTS中断向量指针CPU工作気选择存储饱和位乘法饱和方

18、式位时钟输出选择位数据ROM映射选择位地址可见控制位RAM重复占位标志2.状态寄存器1 (STI)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.43.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.1576543210OVLY AVIS DROM CLKOFF SMUL SSTIPTR MP/MCCPL：P56FRCT：P124151413121110987654-01Imu小；.一；I .XF部弓0BRAFCPLOVMSXMC16FRCT竣TEXASINSTRUDSP 技术讲义.2010OSP技术讲义、2010竣TEXAS

19、INSTRUMENTSTMS320C54X共有192K字的存储空间，分成3个相互独立可选择的存储空间:程序存储空间：用来存放要执行的指令和指令执 行中所需要的系数表（数学用表）;数据存储空间：用来存放执行指令所需要的数据;工/O 存储空间：用来提供与外部存储器映射的接口，可以作为外部数据存储空间使用.4所有C54x芯片都含有片内RAM和ROM。2.5 TMS320C54x的存储空间结构OSP 技术讲义、2010%TEXASOSP技术讲义、2010竣TEXASINSTRUMENTSr SARAM 单寻址RAM片内RAM JI DARAM双寻址RAM聊 wm 刪掰存舷购成程痔蓿储峯间也也页映珈易规

20、映射冏数据存储羅闾代码DSP 技术讲爻、2010% TEXASINSTRUMENTSMP/MC=1微处理器模式MP/MC=O微计算机模式在TMS320C54X系列芯片中，有些芯片采用分页 扩展的方法，使程序存储空间可扩展到1M8M。分页扩展技术的特点：OOOOHTMS320VC5402 存储器配置结构o页程序存储空间地址o页程序存储空何地址数据存储空间OO7FH0080HOVLY=1保留（0页）0VLYR外部存储器3FFFH4000HOVLY=1内部DARAMOVLY=O外部存储器0000HOO7FH|省OOBOHI0000HOO5FH0060H存储器映像寄存器外部FF7FHFF80H中断（外部）FFFFH3FFFH4000HEFFFHFOOOHFEFFHFFOOHFF7FHFF8OHFFFFHIOVLY=1内部DARAMOVLYR外部存储器外部存储器片内R0*保昭中斷矢表（片内）007FH0080H3FFFH4000HEFFFHFOOOHFEFFHFFOO