TigerSHARC結(jié)構(gòu)的ADSP-TSl01及其應(yīng)用

時間：2006-05-22 13:10:00

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[導(dǎo)讀]ADSP-TSl01是AD公司新一代TigerSHARC結(jié)構(gòu)的高性能定點/浮點數(shù)字信號處理器，以其卓越的性能可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療圖像、聲納系統(tǒng)、通信、航空、自動控制、儀表、雷達(dá)等領(lǐng)域。文章介紹ADSP-TSl01摘要的應(yīng)用特點、主要性能及芯片內(nèi)部的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能框圖，并著重給出多片ADSP-TSl01在雷達(dá)信號處理方面的典型應(yīng)用，最后說明DSP的電源供電和功耗的計算方法。

引言
ADSP-TSl01是AD公司新一代TigerSHARC結(jié)構(gòu)的數(shù)字信號處理器，具有多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)結(jié)構(gòu)；有兩個計算單元，每個單元包括算術(shù)邏輯單元(ALU)、移位寄存器(shift)、乘法器(mult)、寄存器組(register files)。ADSP-TSl01性能比ADSP21160有顯著提高，且與之兼容，使得以ADSP21160開發(fā)的產(chǎn)品升級快速、簡捷。ADSP-TSl01是64位處理器，工作在250 MHz時鐘下，可進(jìn)行32位定點和32位或40位浮點運算，提供最高1500 MFLOPS(Millions of floating-pointoperations per second，每秒執(zhí)行百萬次浮點操作)的運算能力；內(nèi)部具有6 M位雙口 SRAM，同時集成了I/O處理器，加上內(nèi)部總線，消除了I/O瓶頸。此外，ADSP-
TSl01適宜多處理器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成總線仲裁，通過鏈路(1ink)12I和外部(external)口可支持并行處理器，而不需任何附加邏輯電路，每一個處理器可直接讀寫任何一個并行處理器的內(nèi)存。本文簡要介紹其性能、應(yīng)用特點及芯片內(nèi)部的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能框圖，給出ADSP-TSl01的一種典型應(yīng)用，并說明DSP的電源供電和功耗的計算方法。

1 ADSP-TSl01的主要性能
    ADSP-TSl01的主要性能如下：
    ◆采用TigerSHARC結(jié)構(gòu)，具有3條獨立總線用于取指令、取數(shù)據(jù)、不間斷I/O；
    ◆指令周期4 ns，工作時鐘250 MHz；
    ◆單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)提供兩個運算單元，每個有一個算術(shù)邏輯單元、乘法器、移位器、寄存器組，可同時在兩個運算單元上進(jìn)行同一指令下對不同數(shù)據(jù)的32位操作；
    ◆提供最大1 500 MFLOPS運算能力；
    ◆片內(nèi)6 M位雙口SRAM，允許CPU、Host和DMA的獨立存取；
    ◆有14個DMA通道，可進(jìn)行內(nèi)存和外存、外設(shè)、主處理器、串(serial)口、鏈路(1ink)口之間的數(shù)據(jù)傳輸；
    ◆有2個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器(IALU)，允許取模和按位取反操作；
    ◆片內(nèi)集成I/0處理器、6 M位雙口 SRAM，具有串行、連接、外部總線和JTAG測試口，支持多處理器結(jié)構(gòu)；
    ◆并行總線和多運算單元，使單周期可執(zhí)行1次算術(shù)邏輯運算、1次乘法、1次雙口SRAM的讀或?qū)?，以?次取指操作，CPU與內(nèi)存之間可進(jìn)行每周期4個32位浮點字的傳輸；
    ◆簇式多處理器最高可支持8個TigerSHARC ADSP-TSl01。
    ADSP-TSl01性能測試如表1、2所列。

2 ADSP-TSl01的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和功能簡介
圖1為ADSP一TSl01的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，ADSP-TSl01包括PEX、PEY兩個運算單元，每一個浮點運算有一個算術(shù)邏輯單元、乘法器、移位器、32字寄存器組。另外，算術(shù)邏輯單元、乘法器、移位器為并行排列，可進(jìn)行單周期多功能操作，如在同一機器周期中算術(shù)邏輯單元和乘法器可同時進(jìn)行操作。

    ◆當(dāng)數(shù)據(jù)在存儲器和寄存器之間傳遞時，IALU提供存儲器的地址。每個IALU有一個算術(shù)邏輯單元、32字寄存器組。
    ◆程序控制器包括指令隊列緩沖器(IAB)和分支目標(biāo)緩沖器(BTB)。ADSP-TSl01既有4個外部中斷IRQ3～O，也有內(nèi)部中斷。
    ◆3條128位總線提供高的寬帶連接。每個總線允許每個周期4條指令或4隊列數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。外部口和其他鏈路口的片上單元也用這些總線訪問存儲器。在每個周期僅能訪問一個存儲器塊，故DMA或外部口傳輸與處理器核在訪問同一塊時必須進(jìn)行競爭。
    ◆片內(nèi)6 M位SRAM，分為3個(M0、M1、M2)128位寬的2 M位的塊，可組合構(gòu)成數(shù)據(jù)、程序存儲器，每個SRAM與兩個總線相連，允許單周期內(nèi)完成和CPU之間4個數(shù)的傳輸。
    ◆外部口支持與片外存儲器、主機(host)及8片ADSP-TSl01的多處理器接口。外部口支持同步、異步及突發(fā)式存取。
    ◆ADSP-TSl01提供了4個鏈路口，每個鏈路口是8位雙向口，與SHARC DSP口不兼容。
    ◆DMA控制器支持獨立于處理器的后臺零等待數(shù)據(jù)傳輸。14個DMA通道分別與外部口(4)、鏈路(1ink)口(8)，autoDMA
寄存器(2)相連，外部總線可采用8/16/32/64位字長進(jìn)行DMA操作。此外還有JTAG測試口及片內(nèi)仿真。
    ◆串口支持250 Mb/s的收發(fā)獨立的同步傳輸。
    ◆具有IEEE JTAG標(biāo)準(zhǔn)1149.1測試口和片內(nèi)仿真。
    ◆27 mm×27 mm或19 mm×19 mm PBGA封裝。
    ◆內(nèi)部ADD1.2 V，外部ADD3.3 V。

3 ADSP-TSl01的典型應(yīng)用
    根據(jù)ADSP-TSl01的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，給出ADSP-TSl01在雷達(dá)信號處理方面的典型應(yīng)用，如圖2所示。信號處理機主要由以下幾部分組成。
    ① 運放及A/D。DPMCW接收機視頻輸出信號幅度為O～+4 V，經(jīng)運放接收后，輸出到A/D的模擬輸入端。運放及A/D分為I、Q兩路輸入，以32位定點數(shù)同時采集到DSP1，在DSP1內(nèi)分為I、Q兩部分進(jìn)行處理。
    ② CPLD。CPLD內(nèi)部主要完成對數(shù)據(jù)的鎖存，產(chǎn)生A/D采樣時鐘、各個DSP的中斷請求信號和數(shù)據(jù)發(fā)送的同步信號。
    ③ DSP1。DSP1主要完成：A/D數(shù)據(jù)輸入變換，并輸出到DSP2；系統(tǒng)自舉。系統(tǒng)采用EPROM自舉方式，4個DSP的加載任務(wù)由DSP1完成。初始化時，DSP1通過鏈路口1發(fā)出一個控制字，將工作參數(shù)傳給DSP2、DSP3、DSP4。鏈路口3和鏈路口4用于系統(tǒng)自舉。
    ④ DSP2。DSP2完成2048點FFT運算。輸入數(shù)據(jù)用鏈路口0和鏈路口2，輸出數(shù)據(jù)用鏈路口1和鏈路口3。鏈路口4用于系統(tǒng)自舉。
    ⑤ DSP3。DSP3完成門限判斷與固定目標(biāo)對消和動目標(biāo)運動速度的校正。
    ⑥ DSP4和DPRAM。DSP4完成數(shù)據(jù)積累，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并輸出。
    這個例子充分體現(xiàn)了ADSP-TSl01適宜多處理器結(jié)構(gòu)，通過鏈路(1ink)口支持串行處理器，而不需要任何附加邏輯電路的優(yōu)勢。

4 電源供電及功耗估計
(1) 電源供電
    ADSP-TSl01有三個電源，其中數(shù)字3.3 V為l/0供電；數(shù)字1.2 V為DSP內(nèi)核供電；模擬1.2 V為內(nèi)部鎖相環(huán)和倍頻電路供電。ADSP-TSl01要求數(shù)字3.3 V和數(shù)字1.2 V同時上電。如果無法嚴(yán)格同步，則應(yīng)保證核電源1.2 V先上電，l/0電源3.3 v后上電。本系統(tǒng)在數(shù)字3.3 V輸入端并聯(lián)了一個大電容，而在數(shù)字1.2 v輸入端并聯(lián)了一個小電容。其目的就是為了保證3.3 v充電時
間大于1.2 v充電時間，以便很好地解決電源供電先后的問題。
(2)外部口功耗估計
    外部口的功耗主要是輸出引腳(例如數(shù)據(jù)線的某個位由高到低，或由低到高)轉(zhuǎn)換的功率消耗，而且該功耗與系統(tǒng)無關(guān)。由于這種轉(zhuǎn)換的外部平均電流為0.137 A，因此，功耗為PDD=VD×lDD=3.3 V×0.137 A=0.45 W
(3)內(nèi)核功耗估計
    內(nèi)核最大電流為1.277 A。該電流是DSP進(jìn)行單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)方式下，4個16位定點字乘加與2個四字讀取并行操作以及進(jìn)行由外部口到內(nèi)部存儲器DMA操作所需的電流。實際上，DSP內(nèi)核電流大小還和內(nèi)核工作頻率有關(guān)，圖3所示是其內(nèi)核電流與頻率的關(guān)系曲線。因此，供給DSP內(nèi)核電流可根據(jù)不同的并行處理任務(wù)和內(nèi)核工作頻率來確定。若并行處理較少，工作頻率低，所需電流就小。這樣，最大內(nèi)核功耗為PDD=VDD×IDD=1.2 V×1.277 A=1.534 W。

結(jié) 語
本文介紹了ADSP-TSl01芯片及其在雷達(dá)信號處理方面的應(yīng)用。該應(yīng)用系統(tǒng)充分利用了ADSP-TSl01高速的運算能力、數(shù)據(jù)吞吐量大以及易于多片連接，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行串行處理的特點。文中還討論了DSP應(yīng)用過程中的電源設(shè)計和功耗問題，因而具有一定的工程指導(dǎo)意義。目前該系統(tǒng)已成功用于某雷達(dá)系統(tǒng)。