Микропроцессоры семейства DSP 560хх

Микропроцессоры DSP56000/DSP56001 являются первыми представителями линии сигнальных процессоров компании Motorola [27]. Архитектура микропроцессоров ориентирована на максимизацию пропускной способности в приложениях DSP с интенсивным обменом данными (рис. 1.13). Это обеспечивается благодаря расширяемой архитектуре со сложной встроенной периферией и универсальной подсистемой ввода/вывода. Данные свойства, а также низкое энергопотребление минимизируют сложность, стоимость и сроки разработки прикладных систем на базе микропроцессоров DSP56000/DSP56001.

Микропроцессоры работают на частотах до 33 МГц и обеспечивают производительность около 16 MIPS, что позволяет выполнять быстрое преобразование Фурье по 1024 отсчетам за 3,23 мс.

Различие между данными процессорами заключается в типе их внутренней памяти. В целях минимизации стоимости прикладных систем микропроцессор DSP56000 ориентирован на работу под управлением программы, хранимой в ППЗУ (ROM) емкостью 3,75 Кслов. Существует также вариант процессора DSP56000, обладающий свойствами защиты от несанкционированного доступа к программе, хранимой во внутренней памяти. DSP56001 содержит на кристалле память произвольного доступа (RAM), емкостью 512 слов, 32 слова памяти (ROM) программы начальной загрузки процессора из внешнего источника, а также два модуля памяти предварительно запрограммированных в качестве таблиц функций экспандирования по А- и m-закону и таблиц синусоидального преобразования.

Дальнейшее развитие семейства микропроцессоров DSP560xx осуществлялось в рамках концепции процессорного ядра, общего для всех представителей семейства, в состав которого входят 24-разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой DSP 56002, 4, 7, 9, 11 [27].

Процессоры данного семейства характеризуются высокой пропускной способностью, расширенной разрядностью, обеспечивающей высокую точность вычисления и широким динамическим диапазоном обрабатываемых данных, поддержкой энергосберегающего режима работы. Представители семейства отличаются друг от друга конфигурациями памяти и периферийными устройствами.

Типовая структура представителя семейства DSP560xx микропроцессора приведена на рис. 1.13.

Основными компонентами микропроцессора являются:

• шины данных;

• шины адресов;

• АЛУ данных (ALU);

• устройство генерации адресов (AGU);

• устройство программного управления (PCU);

• расширение памяти (порт А);

Процессор содержит три независимые исполнительные устройства:

PCU, AGU и АЛУ данных. Пересылка данных между регистрами исполнительных устройств осуществляется по двунаправленным 24-разрядным шинам: шине данных X(XDB), шине данных Y (YDB), программной шине данных (PDB) и глобальной шине данных (GDB). Некоторые команды используют шины данных Х и Y как единую 48-разрядную шину. Для повышения скорости выборки операнды

команды загружаются в АЛУ из модулей памяти Х и Y по независимым шинам XDB и YDB, а команда – по программной шине данных PDB. Обмен данных с периферийными устройствами осуществляется по шине GDB.

Шинная структура поддерживает основные пересылки данных типа регистр-регистр, регистр-память, память-регистр. За один такт могут быть переданы два 24-битовых слова и одно 56-битовое. Обмен между шинами осуществляется через внутренний коммутатор - матрицу, позволяющую соединить любые две внутренние шины без добавления тактов задержки. Адреса для внутренних Х- и Y- памятей данных передаются по двунаправленным 16-разрядным шинам ХАВ и YAB, а адреса памяти команд – по двунаправленной программной шине (РАВ). Внешняя память адресуется с помощью однонаправленной шины, являющейся выходом трехканального мультиплексора шин ХАВ, YAB, РАВ.

Устройство битовых операций физически расположено в блоке коммутатора, что обеспечивает ему доступ к любой области памяти и позволяет выполнять битовые операции над данными в памяти, регистрах, содержимым адресных и управляющих регистров.

АЛУ данных микропроцессора выполняет над данными все арифметические и логические операции и содержит четыре 24-битовых регистра-источника, два 48-битовых регистра-аккумулятора, два 8-битовых регистра расширения аккумуляторов, устройство сдвига аккумулятора, две схемы сдвига/ограничения данных и параллельное (не конвейеризированное) однотактовое устройство умножения с накоплением (MAC).

Аккумуляторы А и В служат в качестве буферных регистров шин XDB и YDB, а их 8-битовые регистры расширения используются схемой сдвига/ограничения для фиксирования и обработки ситуаций переполнения в результате арифметических операций или сдвига.

АЛУ данных позволяет выполнять умножение в режиме удвоенной точности (задается установкой соответствующего бита в регистре состояния процессора). Результат умножения двух 48-битовых операндов имеет 96 разрядов и содержится в 4-х 24-битовых регистрах.

Устройство генерации адреса (AGU) работает параллельно с другими компонентами процессора, обеспечивая вычисление требуемых адресов данных в памяти за один такт с помощью двух одинаковых 16-битовых арифметических устройств, каждое из которых может выполнять линейные, модульные и циклические арифметические операции.

Устройство программного управления генерирует адреса программы т(предварительная выборка команд), декодирует, аппаратно обрабатывает команды циклического перехода, внутренние и внешние прерывания или исключительные ситуации. Оно содержит 15-уровневый 32-битовый системный стек (SS) и 6 непосредственно адресуемых регистров: счетчик команд (PC), счетчик цикла (LC), регистр адреса цикла (LA), регистр состояния (SR), регистр режима (OMR) и указатель стека (SP). 16-битовый регистр PC может адресовать до 65536 команд. SS сохраняет PC и SR при вызове процедур, обработке прерываний и выполнении программных циклов.

Команды процессора выполняются в З-этапном (предвыборка, декодирование, выполнение) конвейере с последующим анализом 5 возможных состояний процессора: «нормальное», «исключение», «сброс», «ожидание» и «останов».

В состав PCU входят три блока: блок декодирования программы (PDC), генератор адреса программы (PGA) и программный контроллер прерываний (Р1С). PDC декодирует команды, загруженные в командный буфер, и генерирует все необходимые для выполнения команды управляющие сигналы. Содержимое командного буфера дублируется для более эффективного выполнения команд повтора (REP) и перехода.

Основное назначение блока PGA - аппаратное формирование адресов циклов. При инициализации цикла адрес его начала помещается в стек, значение переменной цикла содержится в регистре LC, адрес конца цикла - в LA. При завершении очередной итерации адрес перехода извлекается из стека, а не формируется программно, что существенно повышает скорость обработки.

Р1С получает все запросы на прерывание, классифицирует их и генерирует адрес вектора прерываний. Прерывания могут быть маскируемыми - уровни 0 (нижний уровень), 1, 2 и немаскируемыми - уровень 3 (высший уровень).

Порт расширения памяти А обеспечивает синхронный обмен данными с различными типами памяти и внешними устройствами по 24-разрядной шине данных. Порт работает с высоко- и низкоскоростной памятью, а также другими универсальными и сигнальными процессорами в режиме master/slave.

Программная модель микропроцессора представляется в виде трех действующих параллельно функциональных устройств: ALU, AGU и PCU. Система команд ориентирована на эффективную поддержку языка Си и организована таким образом, чтобы обеспечить занятость этих устройств в течение каждого такта, достигая при этом максимальной скорости выполнения программы.

Команды микропроцессора имеют переменную длину: 1 или 2 24-битовых слова. Типичная команда микропроцессора содержит поле кода операции, определяющее соответствующее действие ALU, AGU или PCU, поле операндов и два поля, задающие пересылки, выполняемые параллельно с основной операцией по шинам XDB и YDB. Пример команды MAC приведен на рис. 1.14.

 

метка	операция	операнды	параллельная пересылка содержимого ячейки памяти	Комментарий
LOOP	Opcode	Operands	XDB	YDB	;TEXT
	MAC	X0,Y0,A	X:(R0)+,X0	Y:(R4)+,Y0

 

Рис. 1.14. Структура команды микропроцессора DSP-560xx

Пояснение: производится умножение двух операндов в регистрах X0 Y0, и результат прибавляется к содержимому аккумулятора одновременно; происходит передача содержимого ячеек памяти, адреса которых указаны в регистрах R0 и R4, в регистры X0 Y0.

Благодаря своей высокой производительности и низкой стоимости семейство микропроцессоров DSP 560хх широко используется в самых различных областях: коммуникационных системах, цифровых аудиосистемах, робототехнике, системах медицинской диагностики, в военной электронике.

Сигнальные процессоры семейства BlackFin. Компания Analog Devices объявила о выпуске новых сигнальных процессоров BlackFin ADSP-BF512, BF514, BF516 и BF518. В отличие от предыдущих процессоров BlackFin, новая линейка упрощает реализацию задач, где ранее использовалась комбинация «DSP + микроконтроллер».

Это снижает стоимость и энергопотребление системы в целом, упрощает подготовку встроенного программного обеспечения и его тестирование. Новые сигнальные процессоры ADSP-BF51х имеют высокие тактовые частоты и низкое энергопотребление в пересчете на единицу производительности.

Области применения новых DSP:

· Системы управления;

· Системы отображения графической информации;

· Обработка сигналов;

· Связь и коммуникации;

· Производственное и медицинское оборудование.

Основные характеристики:

· Тактовая частота: до 400 МГц;

· Производительность: 800 MMACS;

· Удельное энергопотребление: 8,5 MMACS/мВт (на тактовой частоте 100 МГц);

· SRAM ОЗУ: 116 кБайт;

· Flash ПЗУ: до 4 мБит (версия DSP с Flash ПЗУ).

Новые 32-разрядные процессоры Blackfin имеют большой объем встроенной SRAM ОЗУ и Flash памяти с SPI интерфейсом (для версий DSP с Flash ПЗУ), содержат встроеннную систему защиты кода Lockbox™. Внутренняя структура оптимизирована для приложений обработки цифрового аудио и видео, содержит контроллеры ПДП и внешней SDRAM, SRAM, Flash или ROM памяти и развитую периферийную часть.

ADSP-BF516 и BF518 содержат контроллер MAC уровня для Ethernet 10/100, при этом BF518 поддерживает протокол синхронизации тактовых сигналов IEEE-1588. Новые DSP обеспечивают низкое энергопотребление при помощи эффективной технологии динамического управления питанием DPM.

 

Медийные микропроцессоры

 

С ростом популярности мультимедийных технологий, увеличением числа приложений и компаний, их разрабатывающих, все большее внимание со стороны производителей микропроцессоров уделяется поддержке алгоритмов сигнальной обработки на уровне команд микропроцессоров [8]. В микропроцессорах в настоящее время наблюдается тенденция переноса акцентов с чисто числовых операций на операции с новыми типами данных, характерными для обработки видео- и звуковой информации.

На сегодняшний день можно выделить два класса микропроцессоров, обеспечивающих поддержку мультимедиа на аппаратном уровне; это мультимедийные микропроцессоры и универсальные процессоры с мультимедийным расширением набора команд. Такая классификация отражает в первую очередь ориентацию процессоров на различные области применения. Там, где мультимедийные операции доминируют над традиционными числовыми операциями, эффективно использование мультимедийных микропроцессоров. В тех областях использования, где доля числовой обработки велика, перспективно применение универсальных процессоров с мультимедийным расширением системы команд.

К первому классу относятся рассмотренные ранее микропроцессоры общего назначения, адаптированные к требованиям мультимедиа. На сегодняшний день к данному классу можно отнести микропроцессоры UltraSPARC компании Sun Microsystem, процессоры с мультимедийным расширением системы команд (ММХ) компаний Intel - Pentium ММХ, Pentium II, Cyrix-6х86МХ (М2), AMD–К6.

Второй класс представляет собой некоторый гибрид архитектурных решений, характерных для традиционных DSP - процессоров и универсальных микропроцессоров. Микропроцессоры данного класса - медиапроцессоры, предназначены для обработки аудиосигналов, графики, видеоизображений, а также для решения ряда коммуникационных задач в мультимедиа-ПК, в игровых приставках, бытовой технике, PDA. Наибольшее внимание привлекают сегодня микропроцессоры:

• Mediaprocessor компании MicroUnity;

• Trimedia компании Philips;

• Mpact Media Engine компании Chromatic Research;

• NVI компании Nvidia;

• MediaGx компании Cyrix.

По мере того как центральные процессоры персональных компьютеров будут становиться все быстрее, ниша медиапроцессоров должна неуклонно уменьшаться. Но пока место на рынке ПК у них все же есть, они будут служить расширению функциональных возможностей персональных компьютеров, ненамного повышая стоимость последних.