高性能DSP的体系结构
原题目：指令集体系结构的分类与比较
原题目：指令集体系结构的分类与比较引言指令集体系结构指的是计算机中用于执行指令的硬件和软件的组合方式。
不同的指令集体系结构对计算机程序的编写、执行和性能都有着不同的影响。
本文将对指令集体系结构进行分类，并对各种指令集体系结构进行比较。
指令集体系结构的分类常见的指令集体系结构主要有以下几类：1. 精简指令集（RISC）体系结构：RISC体系结构以简化指令为特点，将指令集精简为少量、固定长度的指令。
它注重简化指令的执行时间，减少指令的执行周期，以提高指令的执行效率。
常见的RISC体系结构有ARM和PowerPC等。
2. 复杂指令集（CISC）体系结构：CISC体系结构以实现复杂指令为特点，将指令集设计为丰富多样、灵活可变的指令。
它注重减少指令数量，提高编写程序的便利性，但由于指令复杂，执行时间会相对较长。
常见的CISC体系结构有x86和MIPS等。
3. 超长指令字（VLIW）体系结构：VLIW体系结构在指令流水线的基础上，通过编译器将多个指令捆绑为一条宽指令，以提高指令级并行度。
它注重编译器的优化和指令的同时执行，以提高程序的性能。
常见的VLIW体系结构有Itanium和EPIC等。
4. 特定领域指令集（DSP）体系结构：DSP体系结构主要针对数字信号处理领域的需求，将指令集设计为高度优化的专用指令，以提高数字信号处理的效率。
常见的DSP体系结构有TI TMS320和Motorola DSP等。
指令集体系结构的比较不同的指令集体系结构在性能、功耗、编程模型、兼容性等方面存在差异。
1. 性能：RISC体系结构在指令执行速度方面相对较快，适合于需要较高计算能力的应用；CISC体系结构则在编写程序的便利性和指令数量方面相对优势，适合于需要灵活指令和多功能性的应用。
2. 功耗：RISC体系结构通常具有较低的功耗，适合于功耗敏感的移动设备；CISC体系结构由于指令复杂，功耗相对较高，适合于高性能计算机系统。
3. 编程模型：RISC体系结构通常采用Load/Store指令模型，需要通过专门的Load/Store指令对寄存器和内存进行数据传输；CISC体系结构采用的是内存-寄存器指令模型，可以直接对内存进行操作。
DSP硬件系统概述
• 而DSP并行执行上述4个步骤,所以指令周期等于 机器周期.也就是说,上述4步DSP以流水线方式 运行,提高了CPU执行速度.
• 流水线有一个建立的过程,只有在完整的流水线 时,才会发挥DSP最高效率,所以在程序中应尽量 避免破坏流水线.
DSP芯片的厂家
目前世界上生产DSP芯片的公司主要 有TI德州仪器公司,AD美国模拟器件公司 ,Technologics朗讯技术公司和Motorola摩 托罗拉公司四大公司,而TI公司则是世界上 最大的DSP芯片供应商.TMS320系列产品 就是该公司的DSP产品.
德州仪器公司的DSP产品
• DSP器件的应用对象可以分为三类 – 工业控制领域 – 低成本嵌入式应用系统 – 需要用复杂算法对大量数据进行处理 的应用
多总线结构
• 数据、地址和控制总线是微处理器访问各种部 件的基础,我们称之为3总线.
• MCU无论片内还是片外均为三总线结构,而DSP 片内为多总线结构多条数据、地址和控制总线 片外为三总线结构,有的DSP甚至片外也有多条 总线.
多总线结构：片内多条数据、地址和控制总线.
外部地址 总线
外部数 据总线
数字信号处理器的流水线
流水线结构将指令的执行分解为取指、译 码、取操作数和执行等几个阶段
– TMS320C54xx DSP 采用6级流水线 – TMS320C6xxx DSP 采用8级流水线 – TMS320C55xx DSP的流水线分为
• 指令流水线 • 执行流水线
数字信号处理器的其他特点
• 硬件乘法累加单元
• 存储器
– Flash存储器、RAM存储器
• 功耗 – 低工作电压 、休眠或空闲模式 、可编程时钟分 频器 、外围控制
1、c2000体系结构
数据定义伪指令
.byte,.word,.int,.long和.string
引用其他文件的伪指令
.copy,.include,.def,.ref和.gloable
其他常用伪指令
.if,.elseif,.else,.endif和.set,.equ,.asg,.end,.mmregs
SCI属于双线的异步串行通信接口，即平时
所说的通用异步收发器 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）口，可 以通过SCI串行接口与CPU或其他的异步外 设进行通信。 SCI-A和SCI-B
串行外设接口
SPI是一个高速同步串行通信接口，其通信
0x00 0800 PF 0 (2K) reserved 0x00 0D00 PIE vector reserved (256) ENPIE=1 reserved 0x00 1000 0x00 6000 PF 2 (4K) reserved 0x00 7000 PF 1 (4K) reserved 0x00 8000 LO SARAM (4K)
模数转换模块
ADC模块将外部的模拟信号转换成数字量
，ADC模块可以将一个控制信号进行滤波 或者实现运动系统的闭环控制。在电机控 制系统中，采用ADC模块采集电机的电流 或电压实现电流环的闭环控制。 10位（24x，240x） 12位（281x，280x） 16通道（281x）
串行通信接口SCI
TI C2000
第一部分：c2000体系结构
本部分内容
1. 2. 3. 4. 5. 6.
C2000结构概述 C2000CPU内核结构 C2000总线结构 C2000的存储器 C2000外设资源 C2000指令体系
DSP原理与应用技术-考试知识点总结
DSP原理与应用技术-考试知识点总结第一章1、DSP系统的组成：由控制处理器、DSPs、输入/输出接口、存储器、数据传输网络构成。
P2图1-1-12、TMS320系列DSPs芯片的基本特点：XXX结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期。
3、XXX结构：是一种将程序指令储存和数据储存分开的储存器结构。
特点：并行结构体系，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。
系统中设置了程序和数据两条总线，使数据吞吐率提高一倍。
4、TMS320系列在XXX结构之上DSPs芯片的改进：（1）允许数据存放在程序存储器中，并被算数运算指令直接使用，增强芯片灵活性（2）指令储存在高速缓冲器中，执行指令时，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。
5、XXX结构：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，取指令和去数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。
6、流水线操作：TMS320F2812采用8级流水线，处理器可以并行处理2-8条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。
解释：在4级流水线操作中。
取指令、指令译码、读操作数、执行操作可独立地处理，执行完全重叠。
在每个指令周期内，4条不同的指令都处于激活状态，每条指令处于不同的操作阶段。
7、定点DSPs芯片：定点格式工作的DSPs芯片。
浮点DSPs芯片：浮点格式工作的DSPs芯片。
（定点DSPs可以浮点运算，但是要用软件。
浮点DSPs 用硬件就可以）8、DSPs芯片的运算速度衡量标准：指令周期（执行一条指令所需时间）、MAC时间（一次乘法和加法的时间）、FFT执行时间（傅立叶运算时间）、MIPS（每秒执行百万条指令）、MOPS（每秒执行百万次操作）、MFLOPS （每秒执行百万次浮点操作）、BOPS（每秒十亿次操作）。
dsp知识点
1、DSP内部采用了以下九种技术：①采用哈佛（Harvard）结构体系或超级哈佛(Super Harvard)结构体系②采用pipeline(流水线技术③硬件乘法器④多处理单元⑤特殊的DSP指令⑥指令周期短⑦运算精度高⑧独立的DMA总线和DMAC⑨硬件配置强。
2、DSP中CPU的特点：①硬件乘法器；单周期乘法②TMS320C2000 DSP CPU内部结构依次关注：硬件乘法器，CALU ACC片内存储器总线。
③移位(shifting)一个机器周期左移/右移多bit，数据定标④溢出(overflow)⑤数据地址发生器(DAG)：DSP速度快、吞吐率高多个DAG，带ALU3、DSP片内存储器及总线片内存储器：FLASH DARAM SARAM B0,B1 DARAM数据总线程序总线4、DSP片内外设①时钟发生器(振荡器，PLL)②多个定时器timer③软件可编程等待状态发生器④通用I/O HPI、McBSP、GPIO⑤同步串口SSP、异步串口ASP⑥JTAG扫描逻辑电路5、近几年开发的DSP芯片特点：多处理器并行工作。
多处理器系统。
设置了循环寻址及位倒序指令和其它特殊指令。
独立的DMA总线和控制器以提高数据传输能力。
6、衡量DSP处理性能的常用指标：数据处理能力用DSP的处理速度来衡量；数据传输能力用内部总线和外部总线的配置、以及总线或I/O口的数据吞吐率来衡量。
7、DSP使用选择①性能：描述DSP性能的最重要的技术指标是运算速度。
分定点和浮点②片内硬件资源：片内RAM、ROM的数量，I/O接口的种类和个数；总线驱动能力；外部可扩展的程序和数据空间等。
③价格④DSP芯片的功耗：功耗的大小意味着发热的大小和能耗的多少.⑤DSP芯片的开发工具：功能强大的开发工具的支持可大大缩短开发的时间. 包括软件和硬件开发工具⑥其他封装形式, 质量标准, 供货情况, 生命周期。
8、dsp发展前景主要表现：1）．提高性能：应用性能、处理速度、集成度2）降低功耗3）加强融合：多DSP协同工作、DSP与FPGA的融合、DSP与微控制器（MCU）的融合（新潮流，节省成本，降低功耗）4）价格下降：更高的性能/价格比5）．拓宽应用6）．更方便的开发环境7）．专用DSP的使用9、通用DSP系统的开发数字信号处理系统设计一般由5个阶段构成：①需求分析、②体系结构设计、③硬件/软件设计、④系统集成、⑤系统测试dsp系统开发工具：系统集成及调试工具[软件仿真器(Simulator)、DSK开发套件、评估板EVM、硬件仿真器Emulator,集成开发环境CCS]、代码生成工具(编译器、链接器、优化器及转换工具等)、简易操作系统(DSP/BIOS)1、TMS320F2812内部结构：32位定点DSP，它采用改进的哈佛结构，其程序存储器和数据存储器分别独立且有各自分离的总线结构，即程序总线和数据总线。
C6000系列DSP体系结构介绍
C6000系列DSP体系结构介绍C6000 体系结构和汇编语言远见品质General DSP System Block DiagramInternal MemoryInternal BusesExternal MemoryCentral Processing UnitP E R I P H E R A L S远见品质C6000 CPU ArchitectureVLIW, Very Long Instruction word远见品质C6201/04/05 片内存储器远见品质C6701片内存储器远见品质C64x 片内2级存储器C64的 L1D的存储体结构：8×32bit 。
（32B） L1D行：64B。
共128组（4K字）远见品质程序员角度的DSP结构：存储器的层次片外存储器片内存储器数据寄存器处理单元远见品质C62xx CPU Core远见品质C67xx CPU Core远见品质C64xx CPU Core远见品质u u u u u u u u u u u u u一条C6000的指令和其机器码C6000: ADD .D2 B5,B4,B4 ADD (.D2 or.D1) src2,src1,dst1 00000010000101001000100001000010 000 0 00100 00101 00100 010000 10000 1 0 (1) (2) (3) （4） (5) （6）（7）（8）（9）(1) 条件寄存器: A1,A2,B0~2; C64添加A0 (2) z，指定条件寄存器的判断条件 (3) dst，目的 (4) src2，源2 (5) src1, 源1 (6) 操作码：设定唯一指令的码，sint，2个源和目标都为有符号整数且功能单元为D时的操作码就是010000 ； (7) 固定值 (8) s，选择A边寄存器还是B边寄存器 (9) p，是否并行远见品质对比：8086的ADD指令8086/8088 一条指令长1~6字节 8086 ADD CX,DX CX和DX相加放到CX 000000 0 1 11 001 010；寻址方式和立即数，这里没有ADD (1) (2) (3) （4）（5）（1）0 reg为目的，（2）1 字处理（8086的字为16bit）, 表示操作的是CX,DX不是 CL,DL。
浅谈'C2000、'C5000、'C6000的内部结构和区别
浅谈C2000、C5000和C6000的内部结构和区别摘要：德仪公司的DSP分为多种系列，其中TI公司的TMS320系列的DSP在全球应用中较为广泛。
本文重点对TMS320系列下的C2000系列，C5000系列，C6000系列的内部结构做重点介绍，并对其内部结构进行比较。
为了更好地了解其内部结构下面主要从三大方面进行总结，分别是：中央处理单元（CPU）、存储器和I/O空间、外围设备。
关键词：内部结构C2000系列C5000系列C6000系列Introduction to the internal structure and distinction ofC2000,C5000,C6000Abstract:The digital signal processors of the TI company are the widely used for many years.the IT company's DSP is divided into several series,in which TMS320 series have an wide application in the global .Toward the C2000 series, C5000 series, C6000 series which belong to TMS320 series,this paper mainly makes summary and comparison about their internal structure. In order to better understand its internal structure below summarizes mainly from three aspects, respectively is: the central processing unit (CPU), memory and I/O space, and peripheral devices.Keywords:Digital signal processing The internal structure C2000 series C5000 series C6000 series 一、引言在生产数字信号处理的全球企业中，美国的德仪公司生产的数字信号处理器多年来一直占据了较大的DSP生产市场，并且在不断的扩大。
TMS320系列DSP芯片介绍
● 4.程序存储器寻址
● 使用程序计数器（PC）寻址，但是，对于一些指令需要用到绝对寻址。
● 5.中断
● 54X支持软件中断（如INTR，TRAP，RESET）和硬件中断，中断 可分为可屏蔽中断（如TINT，INT0等）和不可屏蔽中断（如 RESET和NMI），其中RESET的优先级最高，不可屏蔽中断的优 先级高于可屏蔽中断的优先级，硬件中断的优先级则高于软件中断 的优先级。
● 9.片上的外设
● 可软件编程的等待状态发生器，使得与速度较慢的设备通讯更加方 便；
● 片上的锁相环时钟发生器可以对外部时钟信号进行倍频或分频，从 而得到自己所需要的时钟频率，当分频时还可节省系统的功耗；
● 可以禁止对外部数据总线，地址总线以及控制信号的控制； ● 可以软件编程的定时器；
● 一些特殊的端口：标准的同步全双工串行口和时分复用（TDM）串 行口，自动缓冲串行口（auto-BSP），多通道缓冲串行口 （MCBSP），直接内存访问（DMA）控制器和与外部处理器通信 的HPI（Host Port Interface）接口。每一个型号的芯49.1标准的边界扫描逻辑 接口，即JTAG扫描逻辑电路，用于仿真和测试，可以实现在线仿真。
TMS320C54X的BOOT设计
● 由于直接将程序写入DSP芯片非常困难，所以TMS320C54X DSP 芯片都在片内设置有BOOT程序，它的主要作用是在开机时将用户 程序从外部装入到程序存储器。
。在一般形式的FIR滤波
器中，乘法是DSP的重要组成部分。在TMS320系列中，由于具有 专用的硬件乘法器，乘法可以在一个指令周期内完成。这样可以大 量降低FIR的计算时间。
特殊的DSP指令 ● 4.
。在TMS320系列中有一些特
FPGA实现的高性能DSP芯片设计与开发
FPGA实现的高性能DSP芯片设计与开发数字信号处理（DSP）在现代通信、音频、图像和视频处理等领域中越来越重要。
FPGA（现场可编程门阵列）作为一种可编程逻辑器件，能够在硬件级别上提供优化的DSP实现，并且具有高性能、低功耗和低成本的特点。
本文将探讨FPGA实现的高性能DSP芯片设计与开发的相关技术和应用。
一、DSP芯片设计的挑战DSP芯片设计面临诸如功耗、时钟速度、抖动、干扰和延迟等众多问题，因此需要采用高效的算法和优化的体系结构实现。
在FPGA中实现DSP芯片设计可以最大程度地满足这些需求，因为它具有非常高的灵活性和可编程性。
二、FPGA实现DSP的优势FPGA实现DSP芯片设计具有以下优势：1. 可编程性：FPGA具有可编程性，可以根据需要重新编程，扩展、修改系统的功能。
2. 灵活性：FPGA可通过时间复用、并行计算等技术实现灵活的算法优化。
3. 高速性：FPGA芯片拥有可编程的硬件资源，不需要复杂的指令转换和指令执行的过程，能够在很短的时间内完成计算。
4. 低功耗：FPGA芯片的低功耗架构，可以大大降低电路的功耗。
5. 可配置：FPGA在现场可以进行重新配置，方便实现现场升级和算法优化。
三、FPGA实现DSP的性能优化技术为了提高FPGA实现DSP的性能，我们可以采用以下技术进行优化：1. 硬件的并行计算：FPGA芯片具有可编程的硬件资源，可以利用其并行计算能力来提高计算速度。
2. 时分复用技术：时分复用技术可以将多个不同的算法或处理流程通过时间复用在同一硬件资源上进行处理，从而提高处理速度。
3. 内存带宽优化：适当的内存带宽配置和访问模式可以极大地提高FPGA性能。
4. 优化算法：优化算法可以大大降低DSP芯片的功耗和时钟速度，因此更加适合硬件实现。
5. 功耗管理：根据实际需求，采用适当的功耗管理策略，可以降低芯片的功耗。
四、FPGA实现DSP的应用FPGA实现的高性能DSP芯片设计可以应用在许多领域，例如音频、视频、通信以及成像处理等。
冯诺依曼体系结构、哈佛体系结构与改进型哈佛结构之间的区别
1、冯·诺依曼结构冯·诺依曼结构又称作普林斯顿体系结构（Princetionarchitecture）。
1945年，冯·诺依曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理，后来，人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯·诺依曼型结构”计算机。
冯·诺依曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输。
冯·诺依曼结构处理器具有以下几个特点：必须有一个存储器；必须有一个控制器；必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；必须有输入和输出设备，用于进行人机通信。
冯·诺依曼的主要贡献就是提出并实现了“存储程序”的概念。
由于指令和数据都是二进制码，指令和操作数的地址又密切相关，因此，当初选择这种结构是自然的。
但是，这种指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。
在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。
从指令流的定时关系也可看出冯·诺依曼结构与哈佛结构处理方式的差别。
举一个最简单的对存储器进行读写操作的指令，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯·诺依曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。
arm7系列的CPU有很多款，其中部分CPU没有内部cache的，比如arm7TDMI，就是纯粹的冯·诺依曼结构，其他有内部cache且数据和指令的cache分离的cpu则使用了哈弗结构。
2、哈佛结构哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，如图1所示。
中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。
程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。
TMS320LF2407DSP结构、原理及应用
TMS320LF2407 DSP结构、原理及应用实验指导书重庆大学――美国德州仪器公司数字信号处理解决方案实验室2003年8月前言美国TI公司推出的DSP微控制器TMS320LF2407芯片具有低成本、低功耗、高性能的处理能力，是电机数字化控制的升级产品，体现了单芯片微控制器工业的新趋势。
随着数字信号处理这一新学科的飞速发展及教学的需要，特编写了此实验指导书。
DSP理论和技术是目前电子技术和IT领域中的一门基本工程理论与核心技术，它既有较为完整的理论体系，又以最快的速度形成自己的产业。
实际上，数字信号处理是紧紧围绕着理论、实现及应用三方面迅速发展起来的，它以众多的学科为理论基础，其成果又渗透到众多学科，成为理论与实践并重、在高新技术领域中占有重要地位的新兴学科。
DSP器件的出现，为数字电路方法实现工程系统提供了坚实的技术基础。
在数字信号处理的工程领域中，工程实际更关心的是DSP应用技术，所以，检验数字信号处理理论和技术的基本工程标准，就是能否在工程实际中应用先进的理论，将理论变成一种实际应用技术。
作为工程应用技术，其理论意义体现在应用中。
如果不能在工程实际中应用，再好的理论也是没有用的。
因此，对于学生来说，DSP技术的学习，必须以应用为目标，必须在相应的理论基础之上，应用DSP技术。
为此，本实验指导书通过提供一些基本实验帮助学生迅速学会如何应用DSP 技术和方法，从而达到学习DSP应用开发技术的目的。
本书结合编者的开发应用试验，选用TI公司的DSP微控制器TMS320LF2407芯片为实验对象，以Code Composer Studio (CCS)-TMS320集成调试环境、XDS510硬件仿真器以及自制2047实验装置作为该芯片的开发硬件和软件工作平台和工具，为数字信号处理器的开发创建了较好的软、硬件的工作环境，在帮助学生熟悉DSP微控制器TMS320LF2407芯片应用与开发的基本技能和汇编程序调试技巧的基础上，更为方便地应用所学知识并在控制应用系统的产品设计的开发得到充分的展示，以求学生在未来能够顺利地投入到开发产品的工作中，并能够通过各种渠道，如公司产品技术手册和网上查询，以获得最新器件、最佳技术来为设计自己的产品系统服务。
TI公司DSP系列概述
Printer Print head control Paper path motor control
Digital Power Supply Provides control, sensing, PFC, and other functions
DSL modems Pooled modems Base station transceivers Wireless LAN Enterprise PBX Speech recognition Multimedia gateway Professional audio Networked camera Machine vision Security identification Industrial scanner High speed printer Advanced encryption
12-Bit ADC
Watchdog
GPIO
Peripheral Bus
McBSP
CAN 2.0B
SCI-A
SCI-B
SPI
Event Managers Ultra-Fast 12-bit ADC 16.7 MSPS Conversion Speed Dual s/h enable simultaneous sampling Auto Sequencer, up to 16 conversions w/o CPU
第二部分：TI DSP概述
DSP芯片产品简介
TI公司的DSP芯片概况 其它公司的DSP芯片概况 TMS320C2000概况
TI公司的DSP芯片概况
经典产品 TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5 X、TMS320C8X 目前主流系列 TMS320C2000，用于数字化控制领域 TMS320C5000，用于通信、便携式应用领域 TMS320C6000，音视频技术、通信基站
cpu和dsp的区别
DSP 具有高运算速度的专注算法密集型事务，低能耗，产生的热量少，适合嵌入式系统。
专注与处理数字信号。
数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。
CPU 是对事务的管理很突出，运算效率低，产生的热量大，需加风扇。
CPU 是多功能的处理器，强调的是多功能，适应很多不同的环境和任务，所以兼容性是最重要的。
浮点运算能力和整数运算能力同等重要。
从外部看CPU 的结构，主要由两个部分组：一个是内核，另一个是基板.FPGA （现场可编程门阵列）可以用VHDL 或overidle 来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。
DSP （数字信号处理器） CPU （中央处理器） 专注性DSP 专注的都是算法密集性的事务 CPU 对事务管理很突出 结构的复杂程度DSP 特注重高性能,其结构在同等条件比通用CPU 要复杂得多 体系结构DSP 有分开的代码和数据总线即“哈佛结构” CPU 是冯.诺伊曼结构的 标准化和通用性 DSP 主要还是用来开发嵌入式的信号处理系统了，不强调人机交互，一般不需要很多通信接口，因此结构也较 为简单，便于开发 CPU 的标准化和通用性做得很好，支持操作系统，所以以CPU 为核心的系统方便人机交互以及和标准接口设备通信，非常方便而且不需要硬件开发流水线结构 大多数DSP 都拥有流水结构，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等步骤，这样可以大大提高系统的执行效率。
但流水线的采用也增加了软件设计的难度，要求设计者在程序设计中考虑流水的需要快速乘法器DSP 有专用的硬件乘法器，它可以在一个时钟周期内 完成MAC 运算。
硬件乘法器占用了DSP 芯片面积的很大一部分 通用CPU 采用一种较慢的、迭代的乘法技术，它可以在多个时钟周期内完成一次 乘法运算，但是占用了较少了硅片资源 地址发生器 DSP 有专用的硬件地址发生单元，这样它可以支持许多信号处理算法所要求的特定数据地址模式。
c2000,c5000,c6000系列DSP编程方法
二、TI公司三大系列内部结构的简介 1、C2000系列的内部结构1，C2000系列基于改进的哈佛结构，支持分开的程序空间和数据空间。
还有第三个空间，即I/O空间，用于片外总线接口。
外设总线映射到数据空间，因此，运行在数据空间的所有指令，都可以运行于所有的外设寄存器。
C2000系列的CPU包括：一个32位的中心算术逻辑单元(CALU)、一个32位的累加器(ACC)、CALU具有输入和输出数据定标移位器、一个16x16位乘法器、一个乘积定标移位器、数据地址产生逻辑：包括8个辅助寄存器和1个辅助寄存器算术单元(ARAU)、程序地址产生单元C2000系列采用2xLPASIC核，其内部设有6组16位的数据与程序总线。
这6组总线是：PAB(ProgramAddr．Bus)程序地址总线DRAB(Data-ReadAddr．Bus)数据读地址总线； DWAB(Data-WriteAddr．Bus)数据写地址总线； PRDB(ProgramReadBus)程序读总线；DRDB(DataReadBus)数据读总线；DWEB(DataWriteBus)数据写总线。
将数据读地址总线(DRAB)和数据写地址总线(DWAB)分开，CPU就可以在同一个机器周期内读和写数据。
C2000系列具有以下类型的片内存储器：双访问RAM(DARAM)，即一个机器周期内可以访问两次的存器；FlashEEPROM或工厂掩模的ROM。
C2000系列的存储器分为单独可选择的4个空间，总共的地址范围为224K字：程序存储器(64K字)；局部数据存储器(32K字)；全局数据存储器(64K字)；输入／输出(64K字)。
2、C5000系列的内部结构C5000系列中央处理单元CPU包括算术逻辑单元、乘法器、累加器、移位寄存器、各种专门用途的寄存器、地址发生器、比较选择单元、指数编码器。
具体内容如下①先进的多总线结构，具有1条程序存储器数据总线、3条数据存储器数据总线和4条地址总线；②40位算术逻辑单元(ALU)，包括40位的桶形移位寄存器和2个独立的40位的累加器；③17位乘17位的并行乘法器与一个40位的专用加法器结合在一起，用于单周期乘／累加操作；④比较、选择和存储单元(CSSU)，用于Viterbi操作(一种通信的编码方式)中的加/比较选择；⑤指数编码器用于在单周期内计算40位累加器的指数值；⑥2个地址生成器，包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术单元[6]。
DSP基本体系结构和特点
DSP基本体系结构和特点⼀、数字信号处理的优越性 ⽬前，数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)已经成为信号处理技术的主流。
因为与早期的模拟信号相⽐，数字信号处理有着巨⼤的优势。
早期的模拟信号处理主要通过运算放⼤电路进⾏不同的电阻组配实现算术运算，通过电阻、电容的组配实现滤波处理等，其中有⼀个很明显的问题是不灵活、不稳定，参数修改困难，需要采⽤多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电⼦开关选通才能修改处理参数；⽽且对周围环境变化的敏感性强，温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变。
⽽数字信号处理可以通过软件修改处理参数，因此具有很⼤的灵活性。
由于数字电路采⽤⼚⼆值逻辑，只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路逻辑的翻转，数字电路都可以不受影响地完成⼯作，因此具有很好的稳定性。
具体来说，DSP在以下⼀些⽅⾯表现出它的优越性： ⾸先，DSP芯⽚采⽤改进的哈佛结构（Havard structure）。
其主要特点是程序和数据具有独⽴的存储空间，有着各⾃独⽴的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进⾏寻址，⼤⼤地提⾼了数据处理能⼒，⾮常适合于实时的数字信号处理。
TI公司的DSP芯⽚结构是基本哈佛结构的改进类型。
改进之处是在数据总线和程序总线之间进⾏局部的交叉连接。
这⼀改进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。
只要调度好两个独⽴的总线就可使处理能⼒达到最⾼，以实现全速运⾏。
改进的哈佛结构还可使指令存储在⾼速缓存器中(Cache)，省去了从存储器中读取指令的时间，⼤⼤提⾼了运⾏速度。
其次，DSP指令系统是流⽔线操作。
在流⽔线操作中，⼀个任务被分解为若⼲个⼦任务，各个任务可以在执⾏时相互重叠。
DSP指令系统的流⽔线操作是与哈佛结构相配合的，增加了处理器的处理能⼒，把指令周期减⼩到最⼩值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量。
以TI 公司的TMS320系列产品为例，第⼀代TMS320处理器(例如TMS320C10)采⽤了⼆级流⽔线操作；第⼆代产品(例如TMS320C25)采⽤了三级流⽔线操作；第三代DSP芯⽚(例如TMS320C30)采⽤了四级流⽔线操作。
DSP硬件系统概述
多总线结构：片内多条数据、地址和控制总线。
ROM/ Flash 外部地址 总线
SARAM
B0 DARAM
B1, B2 DARAM PAB DRAB DWAB
MemoryMapped Registers
外部数 据总线
PRDB DRDB
DWEB
Control Bus On-Chip Peripherals/ Registers
C2的CPU运行于4级流水线方式
CPUCLK 取指令 译码 N N-1 N+1 N N+2 N+1 N+3 N+2
取操作数
执行
N-2
N-3
N-1
N-2
N
N-1
N+1
N
图 四级流水线
DSP与MCU软件开发比较
模块化：按功能模块编程 工程化：软／硬人员分离 MCU： ORG xxxx，绝对定位 优点：简单、容易上手 缺点：模块化编程差 工程化不支持 DSP: Section：相对定位 缺点：灵活、上手较难 优点：模块编程好 工程化编程支持
DSP总体设计
根据需求写出任务说明书
根据任务书确定技术指标
DSP芯片及外围芯片
总体设计确定软硬件分工
软件设计说明书 硬件设计说明书
软件编程与调试
系统集成
硬件（.sch / .pcb ）
硬件调试
系统测试、样机完成、中试、产品测试与生产
DSP 软件 设计
硬件系统设计
确定硬件方案 系 统 分 析
器件选型
数字信号处理器的其他特点
• 硬件乘法累加单元
独立的硬件乘法单元
• 零开销循环
TI公司三大系列DSP内部结构之比较
TI公司三大DSP系列产品的内部结构之比较摘要：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 Structrue1. 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。
NBU及5230及带库相关技术要求
NBU及5230及带库相关技术要求NBU（Nokia Bell Labs）是来自诺基亚贝尔实验室的一种语音信号处理技术，而5230是一款基于NBU技术的数字信号处理器（DSP）指令集体系结构。
在这篇文章中，我们将探讨NBU技术以及与之相关的5230 DSP的技术要求和功能。
首先，NBU技术是一个用于语音信号处理的先进算法。
它利用数字信号处理技术，可以在噪音、回声和低延迟等环境中实现高质量的语音通信。
NBU技术具有以下特点和功能：2.高质量的音频处理：NBU技术能够有效地降低环境噪音和回声的影响，提供清晰、可理解的语音通信。
它使用复杂的算法和信号处理技术，优化语音质量并最大限度地减少通信中的失真。
3.低延迟：由于NBU技术采用高效的算法和流水线设计，它能够实现低延迟的音频处理。
这对于实时通信和对话非常重要，因为它减少了通信的延迟，使语音通话更为流畅。
4.适应性和自适应：NBU技术具备适应不同语音环境的能力，并能根据环境和用户需求进行自适应。
这种自适应性保证了在各种噪音和回声环境下都能获得良好的语音质量。
NBU技术的实现离不开硬件支持，其中包括5230DSP这样的数字信号处理器。
5230DSP是一款专门针对NBU技术设计的高性能处理器，具有以下技术要求和功能：1.高性能：5230DSP采用了先进的微体系结构和并行处理技术，以实现高性能的音频处理。
它具备大量的计算资源，能够处理复杂的信号处理算法，并提供高质量的音频输出。
2.低功耗：由于5230DSP通常用于移动设备和便携式设备上，它需要具备低功耗的特性。
这可以通过设计低功耗电路、优化功耗管理和使用可调节电压和频率等技术手段来实现。
3.高度集成：5230DSP需要高度集成的设计，以实现小型化和轻量级的产品。
它可能集成了多个处理核心、高速缓存、存储器控制器和其他外设接口等，以实现复杂的信号处理任务。
4.高效的内存管理：5230DSP需要高效的内存管理技术，以实现快速的数据访问和处理。
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什么是DSP（续）？
DSP的应用决定了DSP的结构（续）
– 对数据精度、成本和功耗的要求使DSP具有不 同的数据格式和数据宽度（如定点和浮点） – 应用的实时性要求可预测的指令执行时间和低 的中断响应延迟 – 集成各种并行、串行接口，DMA控制器，低时 延中断以满足对I/O能力的要求 – 支持多种外部设备以适应不同的应用场合
EDMA控制器（2）
EDMA传输类型
– 一维传输（元素同步，帧同步） – 二维传输（组同步，块同步）
EDMA控制器（3）
EDMA的发起
– CPU发起（无同步） – 同步事件（中断，传输事件…)触发
资源仲裁和优先级处理
– EDMA分为4个优先级（0～3） – 每个优先级有一个固定深度的传输申请队列 – 一个发送到满队列的传输申请会导致EDMA停 顿直到该队列中的申请被处理
几种典型高性能DSP
TI TMS320C6000
– 定点：C62xx，C64xx – 浮点：C67xx
ADI TigerSHARC（浮点＋定点） StarCore SC140（定点内核）
– Motorola MSC8101, MSC8102（双内核） – Agere SP2000B (三内核）
包括编辑器、调试器、工程管理、性能评 估、探测点等的集成开发环境 代码产生工具（C语言编译器、汇编语言优 化器和连接器） 指令集仿真器 实时支持软件－DSP/BIOS 主机和目标机之间的实时数据交换－RTDX 实时分析和数据可视化
高性能DSP的发展趋势
更高的处理能力
– 更高的时钟频率，更高效的CPU，更大的内存容量和 内存带宽 – 多个DSP内核集成到同一个封装内部
C64x的结构框图
C64x的结构-CPU
8个指令执行单元，L、M、S和D单元各两 个 64个32-bit通用寄存器 – 40bit或64bit长类型使用一对寄存器 程序获取，指令分派与指令解码单元 两条数据路径，每条配合四个执行单元 控制逻辑、中断逻辑与测试逻辑
C64x指令分类
算术指令-ABS,SADD,SUB,MPY,MPYHL… 比较指令-CMPEQ,CMPGE,CMPLE… 逻辑指令-AND,OR,NOT,XOR 数据操作-EXT,PACK2,ROTL… 寄存器与存储器操作-MVK,STW,LDW… 跳转-B disp, B reg… 每条指令都可以条件执行
通讯是DSP的主要应用领域
DSP的分类
根据数据格式划分
– 定点（16bit， 20bit，24bit等数据宽度） – 浮点（单精度、双精度）
根据体系结构划分
– 传统/增强型传统——TI C54x/AD2116x – 超长指令字（VLIW）——TI C6000，AD TigerSHARC（支持SIMD），MSC8101/8102 （双内核）
维特比协处理器/Turbo协处理器 （VCP/TCP）－C6416 主机接口(HPI) PCI接口（C6415/C6416） 多通道缓冲串行接口（McBSP） 32bit定时器 GPIO UTOPIA2 （C6415/C6416）
C64x的结构-中断结构
最多32个中断来源，同时可以选择使用12 个 可选择的优先级 可全局/独立控制 快速中断响应－对使能的中断仅需12个 CPU周期即可进入中断服务程序；但是在 核心循环中CPU不能被中断 4个外部中断输入（边沿触发，可编程极性）
二级缓存
– 0/32/64/128/256KB，4路相关 – L1到L2数据要求会导致CPU停顿6～8周期
内部SRAM：768KB～1MB
C64x的结构-EDMA控制器
处理所有L2 Cache/存储器到外部设备之间 的数据传递（任何可寻址空间） 64个独立通道，共享一个中断 可编程优先级，支持通道连接（Linking） 和链接（Chaining） 包括事件和中断处理寄存器，事件编码器， 参数RAM和地址产生硬件等组成部分
M单元执行的指令
16 x 16/ 16 x 32 multiply operations Quad 8 x 8/ Dual 16 x 16 multiply operations Dual 16 x 16 multiply with add/subtract operations Quad 8 x 8 multiply with add operation Bit expansion/ Bit interleaving/de-interleaving Variable shift operations Rotation Galois Field Multiply
C64x的结构-外部存储器接口
两条外部存储器总线
– EMIFA （64bit） – EMIFB （16bit）
无需粘贴逻辑即可支持多种存储器
– SBSRAM，ZBT SRAM，SDRAM – ASRAM，ROM，FIFO – 其映射为存储器的外部设备
支持外部仲裁协议
C64x的结构-其它外设
TRP4 C6414
DPRAM 16K*32bit
TRP5 C6414
DPRAM 16K*32bit
TRP6 C6414
DPRAM 16K*32bit
TRP7 C6414
C64x结构的一些不足
缺乏高速通信端口
– McBSP最高速率为100Mbps，无法满足高速传输的要 求 – 对比：TigerSHARC的Link Port为250MB/s
超长指令字-VLIW
8条32-bit指令构成一个256-bit的指令字 8条指令可以构成1个到8个并行执行的执行 包，每个执行包在同一个CPU周期内执行 p ＝ ‘0’表示一个执行包的结尾
C64x的结构-两级存储器
一级缓存
– L1P：16KB直接映射，32字节线宽，单周期访 问 – L1D：16KB二路相关， 64字节线宽，单周期 访问，二路最近最少使用淘汰算法
SIBASE HPI BUS
DPIF1 MIF
SIBASE Serial Link
RF Interface
SICAT Serial Link
INT FPGA
SSLIF
DPRAM 128K*16bit
Arbiter Unit
T_slot T_frame TX_RX R_Clock
SYIF
DPIF2
DPRAM 16K*32bit
C64x应用实例-SICAT
Test Serial Link
EMIFA 32bit DPRAM 16K*32bit TRP0 C6414
EMIFB 16bit
DPRAM 16K*32bit
TRP1 C6414
DPRAM 16K*32bit
TRP2 C6414
DPRAM 16K*32bit
TRP3 C6414
不具备多处理能力
– C64x DSP之间无法对等访问对方存储空间，只能采用 慢速而不便的主从模式 – 对外部共享存储器的访问需要外部仲裁器 – 对比：8个TigerSHARC可以无需外部逻辑构成一个簇 (Cluster)，拥有统一的存储器空间，无需外部仲裁逻辑
C6000的软件开发流程
C6000的开发工具－ Code Composer Studio (CCS)
在目前信号处理应用中， DSP仍然提供了性能、 价格、功耗和开发难易 程度的最佳结合
谢谢大家！
用FPGA执行DSP任务
信号处理器件的融合（2）
FPGA中嵌入微处理器
– Xilinx VIIPro嵌入最多4个PPC405处理器 – Altera Excalibur FPGA嵌入ARM处理器
新器件－可重配置（Reconfigurable）处理器
– 类型1. 由嵌入式微处理器和逻辑阵列构成，微 处理器可随时按需要配置内部逻辑阵列 – 类型2. CPU核心内部拥有可编程逻辑资源，供 用户自定义应用相关的特殊指令
更强大的I/O能力
– 支持新一代的高速通信接口，如RapidIO
更先进的工艺，更低的功耗
– 0.12微米或更高级工艺，功耗在2W以下
高效易用的开发工具 实时操作系统支持
– ENEA OSE，WindRiver VspWorks
信号处理器件的融合
通用微处理器的DSP指令
– – – – – – – – – X86结构的MMX、SSE等（SIMD指令） PowerPC的AltiVec（矢量计算） 频率高（>1GHz），性能好 功耗和超标量结构的指令不可预测性仍是问题 “DSP Block”-硬件乘法器和累加器 DSP算法IP核 用于FPGA的DSP开发工具 某些应用上（计算密集，并行度高）有非常好的性能 开发难度和开发周期远超过DSP
高性能DSP的体系结构
基站部硬件一室 唐海 2002.12.12
什么是DSP？
DSP是用于进行数字信号的数学处理的一类微处 的任务 – DSP内部一般没有内存管理器（MMU）
DSP的应用决定了DSP的结构
– 大量的数学计算要求快速的乘法器、ALU和SHIFTER – 多个并行的处理单元，可以在一个时钟周期内进行多 次运算 – 内部集成高速存储器，多存储器总线，多存储器块 （哈佛结构）以满足一个时钟周期内多次存储器操作 的要求
C64x指令流水线
L单元执行的指令
32/40-bit arithmetic, compare and logical operations Leftmost 1 or 0 counting for 32 bits and byte shifts Normalization count for 32 and 40 bit Data packing/unpacking and 5-bit constant generation Dual 16-bit/ Quad 8-bit arithmetic operations Dual 16-bit/ Quad 8-bit min/max operations