CC BY
65Цифровые процессоры обработки сигналов
фирмы Analog Devices
Алексей Соловьев
Часть 1. Семейство программно и аппаратно совместимых 16-разрядных процессоров
Фирма ANALOG DEVICES, Inc. (США) более 30 лет широко известна в мире как лидирующий производитель микросхем для аналоговой обработки сигналов. Постоянное совершенствование технологии изготовления интегральных схем позволило выработать подход, с помощью которого фирма стала одним из лидеров и в области цифровой обработки сигналов. Данный подход реализован с помощью двух семейств (соответственно 16- и 32-разрядных) универсальных программируемых цифровых процессоров для обработки сигналов. Основной отличительной особенностью примененного подхода явилась полная программная и частичная аппаратная (pin to pin) совместимость разных модификаций процессоров в рамках семейства. Каждое из семейств прошло свой путь эволюции, и в настоящее время на рынке широко используются процессоры, которые можно отнести к третьему поколению.
В данной части публикации будут рассмотрены особенности серийно выпускаемых современных моделей семейства программно и аппаратно совместимых 16-разрядных процессоров обработки сигналов, а также даны предварительные характеристики 16-разрядных процессоров следующего поколения, которые появятся на мировом рынке во второй половине 2000 года.
ADSP-2101/2104/2105/2115 — 1б-разрядные программно и аппаратно совместимые процессоры обработки сигналов второго поколения
Как отмечалось выше, в настоящее время серийно выпускаются сигнальные процессоры, относящиеся к третьему поколению эволюции. К ним относятся процессоры семейства ADSP-218x. Процессоры второго поколения (ADSP-2101/2104/2105/2111/2115) с максимальной производительностью 25 MIPS (миллионов инструкций в секунду) также продолжают серийно выпускаться, но их применение в новых изделиях становится экономически невыгодным, так как при стоимости, практически сопоставимой с процессорами третьего поколения, они значительно проигрывают им в как в объеме внутренних ресурсов, так и в производительности.
ДйБР-218х — 16-разрядные программно и аппаратно совместимые процессоры обработки сигналов третьего поколения
Сохраняя программную совместимость с процессорами ADSP-2101/2104/2105/2115, процессоры семейства ADSP-218x имеют полную программную и частичную аппаратную совместимость между собой. Все они используют Гарвардскую архитектуру с разделением как внутренней памяти, так и шин доступа к внутренней памяти программ и данных. Архитектура сигнальных процессоров неоднократно подробно рассматривалась в различных изданиях [1,2]. Отметим основные отличительные черты. Все процессоры состоят из:
— трех независимых параллельно работающих вычислительных устройств, которые осуществляют выполнение арифметических и логических функций, включая операцию умножения с накоплением, выполняемую за один машинный цикл, манипуляцию битами, операции сдвига и т. п.;
— двух независимых генераторов адреса данных, которые обеспечивают одновременный доступ к двум массивам внутренней памяти, гибкие режимы адресации и доступа к данным во внутренней памяти, что позволяет процессору в рамках одного машинного цикла получить доступ сразу к двум величинам данных;
— мощного устройства управления, позволяющего осуществлять выборку и исполнение всех команд процессора за один машинный цикл, быструю реакцию на прерывания и отработку передачи управления в зацикленных программах без потери машинного цикла;
— внутреннего ОЗУ, состоящего из 24-разрядного ОЗУ программ и 16-разрядного ОЗУ данных, объем каждого из которых определяется моделью процессора;
— двух гибких программируемых синхронных последовательных портов. Многоканальные последовательные порты позволяют осуществлять прямое подключение к потокам данных Т1/Е1. Их встроенные аппаратные возможности работы в многоканальном режиме с разделением времени существенно уменьшают сложность разработки программного обеспечения и поддерживают работу с 24- и 32-канальными фреймами;
— интерфейса прямого доступа к внутренней памяти через дополнительные внешние порты вво-
Общие характеристики серийно выпускаемых (в 2000 году) процессоров обработки сигналов семейства Д05Р-218х
Название ОЗУ программ ( Кслов) ОЗУ данных ( Кслов) Производительность МГЦ Энергопотре- бление mA/MIPS Питание В Тип корпуса Аппаратная совместимость
ADSP-2181 16 16 40, 33, 28 1.8 5 128 PQFP
ADSP-2181 16 16 40, 33, 28 1.8 5 128 TQFP *
ADSP-2183 16 16 52, 40, 33, 28 0.8 3.3 128 TQFP *
ADSP-2183 16 16 52 0.8 3.3 144 mІnІBGA ***
ADSP-2184 4 4 40 1.4 5 100 LQFP **
ADSP-2184L 4 4 40 1.2 3.3 100 LQFP **
ADSP-2185 16 16 33, 28 1.8 5 100 LQFP **
ADSP-2185L 16 16 52, 40, 33, 28 0.8 3.3 100 LQFP **
ADSP-2185L 16 16 52 0.8 3.3 144 mІnІBGA ***
ADSP-2185M 16 16 75 0.4 2.5 100 LQFP **
ADSP-2185M 16 16 75 0.4 2.5 144 mІnІBGA ***
ADSP-2186 8 8 40, 33, 28 1.5 5 100 LQFP **
ADSP-2186 8 8 40 1.5 5 144 mІnІBGA ***
ADSP-2186L 8 8 40, 33, 28 1.1 3.3 100 LQFP **
ADSP-2187L 32 32 52, 40 0.8 3.3 100 LQFP **
ADSP-2188M 48 56 75 0.4 2.5 100 LQFP **
ADSP-2188M 48 56 75 0.4 2.5 144 mІnІBGA ***
ADSP-2189M 32 48 75, 66 0.4 2.5 100LQFP **
ADSP-2189M 32 48 75 0.4 2.5 144 mІnІBGA ***
да-вывода. Для обеспечения обмена данными между внешними устройствами и собственно процессорами предусмотрено несколько типов поддержки прямого доступа к внутренней памяти. Процессор может адресоваться к внешней памяти объемом до 4 Мбайт через байтовый порт ПДП (ВОМД), при этом процессор является ведущим. В многопроцессорных системах хост-машина может получить доступ к внутренней памяти процессора через 1б-разрядный порт ПДП (ЮМА);
— программируемых флагов.
Внутри семейства модели различаются по напряжению питания, объемам внутренней памяти и максимальной производительности. Сводная таблица характеристик процессоров семейства ДОБР-218х приведена ниже (см. таблицу).
Здесь необходимо отметить одну черту, отличающую процессоры Дй5Р-2181/2183 от остальных. Исторически эти процессоры были базовыми моделями, на которых «выросло» все семейство. Они отличаются от остальных большим количеством выводов и менее компактным корпусом. Это обусловлено тем фактом, что у данных процессоров оба интерфейса прямого доступа к памяти выведены непосредственно «наружу» и могут быть «задействованы» одновременно, в то время как у остальных выводы интерфейсов прямого доступа мультиплексированы, и выбор того или иного типа интерфейса (ЮМА или ВОМД) происходит при включении питания или при общем аппаратном сбросе процессора. Так что модели АОБР-2181/2183 аппаратно совместимы между собой, но не совместимы с остальными процессорами семейства. Программная совместимость при этом обеспечивается полностью.
ADSP-219х — 16-разрядные процессоры обработки сигналов четвертого поколения
Как видно из таблицы, максимальная производительность процессоров семейства ДО5Р-218х ограничена величиной 75 М1РБ. И причиной ограничений уже является даже не технология изготовления процессоров (самые производительные из них изготавливаются по нормам 0,18 мкм), а архитектура, узкими местами которой является невысокая разрядность
внутренних шин адресации (14 разрядов) и жесткая привязка внутренних регистров к определенному вычислительному устройству. Это затрудняет дальнейшее развитие моделей процессоров за счет увеличения объема внутреннего ОЗУ, а также создание эффективно работающих компиляторов языка высокого уровня и снижает эффективность программирования сложных задач. Поэтому дальнейший рост вычислительной мощности и производительности процессоров обработки сигналов возможен только при модификации внутренней архитектуры. Такая модификация была сделана в новейшем семействе ДОБР-219х, что позволило увеличить максимальную производительность до уровня 300 М1РБ и улучшить конечные потребительские качества, сохранив совмести-
мость с процессорами предыдущих поколений (на уровне объектных кодов).
Основные архитектурные отличия семейства ADSP-219x заключаются в следующем:
— регистры вычислительных устройств объединены в регистровый файл, доступ к которому может осуществляться из любого вычислительного устройства, что дает возможность создания эффективных компиляторов языков высокого уровня;
— расширена разрядность внутренних шин адреса/данных (до 24-х), что позволяет увеличить адресное пространство процессора (до 16М слов в постраничном режиме и 64К слов напрямую) и снимает ограничения на объем внутренней памяти;
— модифицированы генераторы адресов данных, что позволило сохранить существующие режимы адресации и добавить пять новых режимов;
— для увеличения общей производительности устройство управления дополнено кэшпамятью команд, которая работает по принципу кэш-памяти 32-разрядных процессоров с плавающей точкой семейства ADSP-2106x (SHARC);
— для более эффективной работы инструментальных средств введена поддержка JTAG-интерфейса.
Процессоры семейства ADSP-219x будут поддерживаться тем же классом инструментальных средств, что и процессоры, серийно выпускаемые в настоящее время.
ЛИТЕРАТУРА
1. ADSP-2100 Family User's Manual. 3-rd Edition. Analog Devices, 1995.
2. Руководство пользователя по сигнальным микропроцессорам семейства ADSP-2100, СПбГЭТУ, С.Петербург, 1997.
