DSP芯片介绍及其选型

8 2006年第4期 adv@mesnet.com.cn(广告专用) ()*芯 片 介 绍 及 其 选 型 □ 北京邮电大学 于水生 摘 要 针对不同应用生产的DSP芯片品种繁多,在进行DSP系统时涉及到对DSP芯片的合理选择问题。 文中通过对各种DSP芯片型号以及其功能参数的介绍,阐述在进行DSP系统设计时如何对DSP芯片进 行合理的选择。 关键词 DSP芯片参数 选型 DSP应用 引 言 DSP(数字信号处理器)是一种特别适合于进行数字 信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现 各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP 芯片一般具有如下主要特点: ① 在1个指令周期内可完成1次乘法和1次加法; ② 程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据; ③ 片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线 在两块中同时访问; ④ 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持; ⑤ 快速的中断处理和硬件I/O支持; ⑥ 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器; ⑦ 可以并行执行多个操作; ⑧ 支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以 重叠执行。 在设计DSP应用系统时,DSP芯片选型是非常重要 的一个环节。在DSP系统硬件设计中只有选定了DSP芯 片,才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。因 此,DSP芯片的选择应根据应用系统的实际需要而确定, 做到既能满足使用要求,又不浪费资源,从而也达到成本 最小化的目的。 DSP实时系统设计和开发如图1所示。 图1 基于DSP芯片的DSP实时系统设计和开发流程 3 结 论 以上提出的一种 Hash锁改进方法,特别适合于物流 管理。该方法需要必要的硬件,如可改写的存储器和简单 的逻辑电路。该方法具有高安全性、小负载等优点,适用于 大量标签应用的场合;解决了位置隐私和中间人攻击问题, 即使敌人窃取了标签的输出,也不能获取标签的ID。 参考文献 1 (德)KlausFinkenzeller.射频识别(RFID)技术---无线电感 应的应答器和非接触IC卡的原理与应用.北京:电子工业出 版社,2001 2 RadioFrequencyIdentification(rfid)HomePage.http://www. aimglobal.org/technologies/rfid 3 VinceStanford.PervasiveComputingGoestheLasthundred FeetwithRFIDSystems.IEEEpervasivecomputing,Volume:2, Issue:2,Pages:9 14,April-June2003 4 Auto-IDCenter.860MHz 960MHzClassIRadioFrequen- cyIdentificationTagRadioFrequency&Logicalcommunica- tionInterfaceSpecificationProposedRecommendationVersion 1.0.0.TechnicalReportMIT-AUTOID-TR-007,Nov.2002 5 GaoXingxin,XiangZhe,WangHao,etal.AnApproachto SecurityandPrivacyofRFIDSystemforSupplyChain.Pro- ceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonE-Com- merceTechnologyforDynamicE-Business(CEC-East'04) (收稿日期:2005-11-11) paper@mesnet.com.cn(投稿专用) 2006年第4期 Microcontrollers&EmbeddedSystems 9 1 主要DSP芯片厂商及其产品 (1)美国德州仪器公司 众所周知,美国德州仪器 TI(TexasInstruments)是 世界上知名的DSP芯片生产厂商,其产品应用也最广泛。 TI公司生产的 TMS320系列DSP芯片广泛应用于各个 领域。TI公司在1982年成功推出了第1代 DSP芯片 TMS32010。这是DSP应用历史上的一个里程碑,从此, DSP芯片开始得到真正的广泛应用。由于TMS320系列 DSP芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点,所以 逐渐成为目前最有影响、最为成功的DSP系列处理器。 目前,TI公司在市场上主要有三大系列产品: ① 面向数字控制、运动控制的TMS320C2000系列, 主要包括 TMS320C24x/F24x、TMS320LC240x/LF240x、 TMS320C24xA/LF240xA、TMS320C28xx等。 ② 面向低功耗、手持设备以及无线终端应用的 TMS320C5000系列,主要包括TMS320C54x、TMS320C54xx、 TMS320C55x等。 ③ 面 向 高 性 能、多 功 能 以 及 复 杂 应 用 领 域 的 TMS320C6000系列,主要包括TMS320C62xx、TMS320C64xx、 TMS320C67xx等。 (2)美国ADI公司 ADI(AnalogDeviceInc.)公司在DSP芯片市场上也 占有一定的份额,相继推出了一系列具有自己特点的DSP 芯片。其定点 DSP 芯 片 有 ADSP 2101/2103/2105、 ADSP 2111/2115、ADSP 2126/2162/2164、ADSP 2127/2181、ADSP BF532以及Blackfin系列;浮点 DSP 芯片有ADSP 21000/21020、ADSP 21060/21062,以及虎鲨 TS101、TS201S。 (3)美国MotoroIa公司 Motorola公司推出的DSP芯片比较晚,1986年推出 了定点DSP处理器 MC56001;1990年,又推出了与IEEE 浮 点 格 式 兼 容 的 浮 点 DSP 芯 片 MC96002;还 有 DSP53611、16 位 的 DSP56800、24 位 的 DSP563xx 和 MSC8101等产品。 (4)杰尔公司 杰尔公司的SC1000和SC2000两大系列的嵌入式 DSP内核,主要面向电信基础设施、移动通信、多媒体服务 器及其他新兴应用。 2 DSP芯片的选型参数 根据应用场合和设计目标的不同,选择DSP芯片的 侧重点也各不相同。其主要参数包括8方面: (1)运算速度 首先要确定数字信号处理的算法,算法确定以后其运 算量和完成时间也就大体确定了,根据运算量及其时间要 求就可以估算DSP芯片运算速度的下限。在选择DSP芯 片时,各个芯片运算速度的衡量主要有: ① MIPS(MillionofInstructionsPerSecond,百万条 指令/秒)。一般DSP的运算速度为20～100MIPS,使用 超长指令字的TMS320B2xx为2400MIPS。必须指出的 是,这是定点DSP芯片运算速度的衡量指标。应注意的 是,厂家提供的该指标一般是指峰值指标,因此,系统设计 时应留有一定的裕量。 ② MOPS(MillionofOperationsPerSecond,百万次 操作/秒)。这个指标的问题是什么是一次操作。通常的 操作,除CPU操作外,还包括地址计算、DMA访问数据传 输、I/O操作等。一般说,MOPS越高意味着乘积 累加和 运算速度越快。MOPS可以对DSP芯片的性能进行综合 描述。 ③ MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPer Second,百万次浮点操作/秒)。这是衡量浮点 DSP芯片 的重要指标。例如TMS320C31在主频为40MHz时,处 理能力为40MFLOPS;TMS320C6701在指令周期为6ns 时,单精度运算可达1GFLOPS。浮点操作包括浮点乘 法、加法、减法、存储等操作。应注意的是,厂家提供的该 指标一般是指峰值指标,因此,系统设计时应注意留有一 定的裕量。 ④ MBPS(MillionBitPerSecond)。它是对总线和 I/O口数据吞吐率的度量,也就是某个总线或I/O的带 宽。例如对TMS320C6xxx,200MHz时钟、32位总线时, 总线数据吞吐率为800MB/s或6400Mbps。 ⑤ 指令周期。执行1条指令所需的时间,通常以ns 为单位。例如,TMS320LC549 80在主频为80MHz时 的指令周期为12.5ns。 ⑥ MAC时间,执行1次乘法和加法运算所花费的时 间。大多数DSP芯片可以在1个指令周期内完成1次 MAC运算。 ⑦FFT/FIR执行时间,运行1个N 点FFT或N 点 FIR程序的运算时间。由于FFT运算/FIR运算是数字 信号处理的一个典型算法,因此,该指标可以作为衡量芯 片性能的综合指标。 表1是基于上述某些参数对一些 DSP芯片所作的 比较。 (2)运算精度 一般情况下,浮点DSP芯片的运算精度要高于定点 DSP芯片的运算精度,但是功耗和价格也随之上升。一般 定点DSP芯片的字长为16位、24位或者32位,浮点芯片 的字长为32位。累加器一般都为32位或40位。定点 DSP的特点是主频高、速度快、成本低、功耗小,主要用于 10 2006年第4期 adv@mesnet.com.cn(广告专用) 表1 参数比较 型 号 DSP56311 TMS320C5416 TMS320C6203 TMS320C8101 TMS320C6701 PentiumⅢ 时钟运算速度或频率 150MIPS 160MIPS 300MHz 300MHz 167MHz 1GHz 256点复数FFT执行时间/µs 59 60 9 6 22 9.5 与成本的乘积 2450 2300 1700 500 3300 - 计算复杂度不高的控制、通信、语音/图像、消费电子产品 等领域。通常可以用定点器件解决的问题,尽量用定点器 件,因为它经济、速度快、成本低,功耗小。但是在编程时 要关注信号的动态范围,在代码中增加限制信号动态范围 的定标运算,虽然可以通过改进算法来提高运算精度,但 是这样做会相应增加程序的复杂度和运算量。浮点DSP 的速度一般比定点DSP处理速度低,其成本和功耗都比 定点DSP高,但是由于其采用了浮点数据格式,因而处理 精度、动态范围都远高于定点DSP,适合于运算复杂度高、 精度要求高的应用场合;即使是一般的应用,在对浮点 DSP进行编程时,也不必考虑数据溢出和精度不够的问 题,因而编程要比定点DSP方便、容易。因此说,运算精 度要求是一个折中的问题,需要根据经验等来确定一个最 佳的结合点。 (3)字长的选择 一般浮点DSP芯片都用32位的数据字,大多数定点 DSP芯片是16位数据字;而 Motorola公司定点芯片用24 位数据字,以便在定点和浮点精度之间取得折中。字长大 小是影响成本的重要因素,它影响芯片的大小、引脚数以 及存储器的大小。设计时在满足性能指标的条件下,应尽 可能选用最小的数据字。 (4)存储器等片内硬件资源安排 存储器等片内硬件资源安排包括存储器的大小、片内 存储器的数量、总线寻址空间等。片内存储器的大小决定 了芯片运行速度和成本。例如,TI公司同一系列的DSP 芯片,不同种类芯片存储器的配置等硬件资源各不相同。 通过对算法程序和应用目标的仔细可以大体判定对 DSP芯片片内资源的要求。几个重要的考虑因素是:片内 RAM和ROM的数量,可否外扩存储器,总线接口/中断/ 串行口等是否够用,是否具有A/D转换等。 (5)开发调试工具 完善、方便的开发工具和相关支持软件是开发大型、 复杂DSP系统的必备条件,对缩短产品的开发周期有很 重要的作用。开发工具包括软件和硬件两部分。软件开 发工具主要包括:C编译器、汇编器、链接器、程序库、软件 仿真器等。在确定DSP算法后,编写的程序代码通过软 件仿真器进行仿真运行,确定必要的性能指标。硬件开发 工具包括在线硬件仿真器和系统开发板。在线硬件仿真 器通常是JTAG周边扫描接口板,可以对设计的硬件进行 在线调试。在硬件系统完成之前,用不同功能的开发板实 时运行设计的DSP软件,可以提高开发效率。甚至在有 的数量小的产品中,直接将开发板当作最终产品。 (6)功耗与电源管理 一般来说个人数字产品、便携设备和户外设备等对功 耗有特殊要求,因此这也是一个应该考虑的问题。它通常 包括供电电压的选择和电源的管理功能。供电电压一般 取的较低,实施芯片的低电压供电,通常有3.3V、2.5V、 1.8V和0.9V等,在同样的时钟频率下,它们的功耗将 远远低于5V供电电压的芯片。加强了对电源的管理后, 通常用休眠、等待模式等方式降低功耗。例如TI公司提 供了详细的、功能随指令类型和处理器配置而改变的应用 说明。 (7)价格及厂家的售后服务因素 价格包括DSP芯片的价格和开发工具的价格。如果 采用昂贵的DSP芯片,即使性能再高,其应用范围也肯定 受到一定的限制。但低价位的芯片必然是功能较少、片内 存储器少、性能上差一些的,这就给编程带来一定的困难。 因此,要根据实际系统的应用情况,确定一个价格适中的 DSP芯片,还要充分考虑厂家提供的售后服务等因素,良 好的售后技术支持也是开发过程中的重要资源。 (8)其他因素 包括DSP芯片的封装形式、环境要求、供货周期、生 命周期等。 3 DSP应用选型举例 (1)面向数字控制、运动控制的DSP芯片选型 面向数字控制、运动控制主要有磁盘驱动控制、引擎 控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制、电力系统 控制、机器人控制、高精度伺服系统控制、数控机床等。当 然,这些主要是针对数字运动控制系统设计的应用。在这 些系统的控制中,不仅要求有专门用于数字控制系统的外 设电路,而且要求芯片具有数字信号处理器的一般特征。 例如,在控制直流无刷电机的DSP控制系统中,直流 无刷电机运行过程要进行两种控制:一种是转速控制,也 即控制提供给定子线圈的电流;另一种是换相控制,在转 子到达指定位置改变定子导通相,实现定子磁场改变,这 种控制实际上实现了物理电刷的机制。因此这种电机需 要有位置反馈机制,比如霍尔元件、光电码盘,或者利用梯 形反电动势特点进行反电动势过零检测等。电机速度控 制也是根据位置反馈信号,计算出转子速度,再利用PI或 paper@mesnet.com.cn(投稿专用) 2006年第4期 Microcontrollers&EmbeddedSystems 11 PID等控制方法,实时调整PWM占空比等来实现定子电 流调节,因此,控制芯片要进行较多的计算过程。当然也 有专门的直流无刷电机控制芯片;但一般来说,在大多数 应用中,除了电机控制,总还需要做一些其他的控制和通 信等事情,所以,选用带PWM,同时又有较强运算功 能的芯片也是一种很好的选择。 Motorola的数字信号处理器DSP568xx系列整合了 通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的 特点,使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理 能力,同时又要有较多控制功能的应用中,对直流无刷电 机的控制就是这一系列DSP的典型应用之一。 除此之外,数字、运动控制领域还有 TI公司的 TMS320C24x 系 列、TMS320Lx240xx 系 列,特 别 是 TMS320LF2407A在控制方面得到了非常广泛的应用。 TMS320LF2407A作为一款专门面向数字控制系统进行 优化的通用可编程微处理器,不仅具有低功耗和代码保密 的特点,而且还集成了极强的数字信号处理能力,也集成 了数字控制系统所必需的输入、输出、A/D转换、事件捕 捉等外设,其时钟频率为40MHz,指令周期小于50ns,采 用改进的哈佛结构和流水线技术,在一个指令周期内可以 执行几条指令。 从运行速度和精度角度来讲,上述两款芯片相差无 几,但是TMS320LF2407A的调试开发环境(CCS)更加成 熟,可参考的资料也更丰富,这样无疑会减少开发周期。 (2)面向低功耗、手持设备、无线终端应用的DSP芯片选型 C54x、C54xx、C55x相比其他系列的主要特点是低功 耗,所以最适合个人与便携式上网以及无线通信应用,如 手机、PDA、GPS等应用。处理速度在80～400MIPS之 间。C54xx和C55xx一般只具有 McBSP同步串口、HPI 并行接口、定时器、DMA等外设。值得注意的是,C55xx 提供了 EMIF 外部存储器扩展接口,可以直接使用 SDRAM,而C54xx则不能直接使用。 4 未来的DSP发展趋势 在相当长的时期内,无线应用仍将是可编程DSP市 场的驱动引擎。DSP技术仍将是能够访问窄带、宽带或是 无线互联网的主要手段,它还是新兴的分组(IP)电话市场 的关键技术,DSP仍将是整个半导体工业的技术驱动力。 在产品应用上,目前重要的DSP应用产品有移动电 话、调制解调器、HDD等个人计算机与通信领域应用产 品;但种种迹象表明,数字革命促进了高性能DSP的广泛 应用,如数码相机、VoIP电话和手持电子设备等。我国在 消费电子产品上的发展更为引人注目,许多消费类电子产 品需要更低成本、更易使用的 DSP产品,如音响设备、 DVR、机顶盒等。整体来看,DSP应用在通信领域、数字 影音的产品将越来越普及。 随着我国自主研发的DSP芯片---“汉芯一号”在上 海交大的问世,标志着我国在DSP芯片核心技术领域走 出了关键的第一步。 参考文献 1 李哲英.DSP基本理论与应用技术.北京:北京航空航天大 学出版社,2002 2 苏涛,蔡建隆,何学辉.DSP接口电路设计与编程.西安:西安 电子科技大学出版社,2003 3 韩安太,刘峙飞,黄海.DSP控制器原理及其在运动控制系统 中的应用.北京:清华大学出版社,2003 4 应启衍.数字信号处理讲座.中国电子在线,http://www. 61ic.com 5 AndrewBateman,LainPaterson Stephens.TheDSPHand- bookAlgorithms,ApplicationsandDesignTechniques.Person EducationLimited,2002 (收稿日期:2005-10-31) 缩 略 语 CCS CodeComposerStudio 代码编辑工作室 AFC AutomaticFrequencyControl 自动频率控制 CDMA CodeDivisionMultiplexAccess 码分多址 CSL ChipSupportLib 片级支持库 EDMA EnhancedDirectMemoryAccess 增强型直接存储器访问 FDMA FrequencyDivisionMultiplexAccess 频分多址 IFSM ImprovedFSM 改进有限状态机 PI Proportional-Integral 比例-积分(控制算法) PID Proportional-Integral-Derivative 比例-积分-微分(控制算法)