TI公司三大DSP系列产品的内部结构之比
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摘要：可编程DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的，DSP芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。本文将首先介绍DSP芯片的基本结构，然后介绍TI公司的三大DSP系列芯片, TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000的内部结构特征。
关键字：DSP TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000 内部结构
Abstract: Programmable DSP chip is a microprocessor with a special structure. Generally, DSP chips have a separate program and data bus structure, Pipelined function, Single cycle to complete the multiplication of the hardware multiplier, and a suitable digital signal processing instruction set, in order to achieve rapid digital signal processing. The article will frist introduce the basic structure of DSP chips, and then describe the internal structure characteristics of TI’s three series of DSP chips -- TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000.
Keyword: DSP TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000 Internal Structrue
1. DSP芯片的基本结构
为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下面以TMS320系列为例介绍DSP芯片的基本结构。
TMS320系列DSP芯片的基本结构包括：（1）哈佛结构；（2）流水线操作；（3）专用的硬件乘法器；（4）特殊的DSP指令；（5）快速的指令周期。
这些特点使得TMS320系列DSP芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算（例如乘法）能够在一个指令周期内完成。由于TMS320系列DSP芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。下面分别介绍TMS320系列产品内部结构特点，同时阐述这些特点如何在TMS320系列DSP芯片中应用并使得芯片的功能得到加强的。
1.1 哈佛结构
哈佛结构是不同于传统的冯·诺曼（Von Neuman）结构的并行体系结构，其主要特点
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是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯·诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。
在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320系列DSP芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器（Cache）中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。如TMS320C30具有64个字的Cache。
1.2 流水线
与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。TMS320系列处理器的流水线深度从2~6级不等。第一代TMS320处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。也就是说，处理器可以并行处理2~6条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。图2.1所示为一个三级流水线操作的例子。
CLKOUT1 N＋2 N＋1 N 取指 译码 执行 N N－1 N－2 N＋1 N N－1 图2.1 三级流水线操作 在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。例如，在第N个指令取指时，前一个指令即第N-1个指令正在译码，而第N-2个指令则正在执行。一般来说，流水线对用户是透明的。
1.3 专用的硬件乘法器
在一般形式的FIR滤波器中，乘法是DSP的重要组成部分。对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，DSP处理器的性能就越高。在通用的微处理器中，
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乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成。相比而言，DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。在TMS320系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。从最早的TMS32010实现FIR的每个抽头算法可以看出，滤波器每个抽头需要一条乘法指令MPY：
LT
；装乘数到T寄存器
；在存储器中移动数据以实现延迟 ；相乘
；将乘法结果加到ACC中
DMOV MPY APAC
其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路（ LT），移动数据（DMOV）以及将乘法结果（存在乘积寄存器P中）加到ACC中（APAC）。因此，若采用256抽头的FIR滤波器，这四条指令必须重复执行256次，且256次乘法必须在一个抽样间隔内完成。在典型的通用微处理器中，每个抽头需要30 ~ 40个指令周期，而TMS32010只需4条指令。如果采用特殊的DSP指令或采用 TMS320C54X等新一代的DSP芯片，可进一步降低FIR抽头的计算时间。
1.4 特殊的DSP指令
DSP芯片的另一个特征是采用特殊的指令。2.2.3节中介绍的DMOV就是一个特殊的DSP指令，它完成数据移位功能。在数字信号处理中，延迟操作非常重要，这个延迟就是由DMOV来实现的。TMS32010中的另一个特殊指令是LTD，它在一个指令周期内完成LT、DMOV和APAC三条指令。LTD和MPY指令可以将FIR滤波器抽头计算从4条指令降为2条指令。在第二代处理器中，如TMS320C25，增加了2条更特殊的指令，即RPT和MACD指令，采用这2条特殊指令，可以进一步将每个抽头的运算指令数从2条降为1条：
RPTK
255
；重复执行下条指令256次 ；LT, DMOV, MPY 及 APAC
MACD
1.5 快速的指令周期
哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期在200ns 以下。TMS320系列处理器的指令周期已经从第一代的200ns降低至现在的20ns 以下。快速的指令周期使得DSP芯片能够实时实现许多DSP应用。
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2. TI定点DSP芯片
自1982年TI推出第一个定点DSP芯片TMS32010以来，TI的定点DSP芯片已经经历了TMS320C1X、TMS320C2X/C2XX、TMS320C5X 、TMS320C54X、TMS320C62X等几代产品，产品的性能价格比不断提高，应用越来越广泛。下面将详细介绍TI公司的TMSC2000、TMSC5000、TMSC6000系列产品的主要内部结构特征。
2.1 TMS320C2X
第二代TMS320 DSP芯片包括TMS32020、TMS320C25/E25、TMS320C26及TMS320C28。在这些芯片中，TMS32020是一个过渡的产品，其指令周期为200ns，与TMS32010相当，而其硬件结构则与TMS320C25一致。在第二代DSP芯片中，TMS320C25是一个典型的代表，其他芯片都是由TMS320C25派生出来的。其中TMS320E25将内部4K字的ROM改为EPROM；TMS320C26去掉了内部的4K字ROM，而将片内RAM增加到1.5K字；TMS320C28则将内部ROM增加到8K字。由于TMS320C25的典型性，下面就讨论TMS320C25的基本特征和结构。
2.1.1 TMS320C25的基本特征
? 指令周期： TMS320C25：100ns，TMS320C25-33：120ns，TMS320C25-50：80ns ? 片内掩膜ROM：4K 字
? 片内RAM：544字，分B0、B1和B2三块 ? 程序和数据空间均为64K字 ? 具有8级硬件堆栈、8个辅助寄存器
? 具有全静态双缓冲串行口，可与许多串行器件直接接口 ? 与低速片外存储器通信的等待状态插入 ? 采用HOLD操作的DMA ? FFT变换用的比特反转寻址 ? 扩展精度算术和自适应滤波支持
? 从外部存储器全速执行的MAC/MACD指令
? 具有在多处理器之间进行同步的能力，支持多处理器共享存储器 ? 1.8μm CMOS工艺，68脚PGA或PLCC封装
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2.1.2 TMS320C25的结构
TMS320C25是第二代TMS320中与TMS32020管脚全兼容的CMOS版本，但指令执行速度是TMS32020的2倍，且增加了硬件和软件资源。指令集是TMS32010和TMS32020的超集，在源代码级与它们兼容。此外，在代码级与TMS32020兼容，因此，TMS32020的程序可不用修改直接在TMS320C25上运行。
100ns的指令周期可提供较强的运算能力。由于大部分指令在一个指令周期内执行，处理器在1秒内可执行1000万条指令（10MIPS）。运算能力的增加主要得益于乘累加指令（MAC）和带数据移位的乘累加指令（MACD）、具有专用算术单元的8个辅助寄存器、适合于自适应滤波和扩展精度运算的指令集支持、比特反转寻址、快速的I/O支持等。
指令集中提供在两个存储空间中进行数据移动的指令。在外部，程序和数据存储空间在同一总线上复用，从而使得在尽量减少芯片引脚的情况下最大程度地扩大两个空间的地址范围。在内部，TMS320C25结构通过保持程序和数据总线结构分离以使指令全速执行来获得最大的处理能力。
芯片内部的程序执行采用三级流水线形式。流水线对用户来说是透明的。但是，在某些情况下流水线可能被打断（如跳转指令），在这种情况下，指令执行时间要考虑流水线必须清空和重新填充。两块大的片内RAM在系统设计时提供了很大的灵活性，其中一块既可配置为程序存储器也可配置为数据存储器。片外64K字的数据空间可直接寻址，从而使DSP算法实现更为方便。片内4K字的掩膜ROM可用来降低系统成本，若程序不超过4K字，可使TMS320C25不用扩展片外程序存储器。剩下的64K字程序空间在片外，大量的程序可在片外存储器中全速运行。程序也可从片外慢速EPROM中装入到片内高速RAM中全速运行。此外，还有硬件定时器、串行口和数据块搬移功能。
下面介绍TMS320C25的存储器分配、中央算术逻辑单元（CALU）、硬件乘法器、控制操作、串行口和I/O接口。
1．存储器分配
TMS320C25具有4K字的片内程序ROM和544字的片内RAM。RAM分为三块：B0、B1、B2。其中，B0块（256字）既可配置为数据存储器（用CNFD指令），也可配置为程序存储器（用CNFP指令）。其余288字（B1和B2块）只能是数据存储器。544字的片内RAM可使C25能处理512字的数据阵列，如可进行256点复数FFT运算，且尚有32字用作中间结果的暂存。TMS320C25提供片外可直接寻址的程序和数据空间各64K字。
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