一種基于功耗管理的DSP處理器設(shè)計(jì)

在信息日益成為一種重要資源的今天,強(qiáng)大的市場(chǎng)需求和微電子技術(shù)的發(fā)展促成了便攜式電子系統(tǒng)的飛速發(fā)展。這些便攜式電子設(shè)備,不但對(duì)速度和面積要求非常高,而且對(duì)系統(tǒng)的平均功耗要求也很嚴(yán)格,使功耗問(wèn)題日漸成為制約便攜式電子設(shè)備發(fā)展的瓶頸。要獲得高性能低功耗的方案,其實(shí)質(zhì)也就是在處理速度、芯片面積和功耗上來(lái)權(quán)衡如何滿足數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的要求。

本文介紹了一種基于并行流水線的低功耗數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),以改善通用處理器的不足,應(yīng)用于各種便攜式系統(tǒng)中,以便取得良好的效果。

系統(tǒng)方案中,基于流水線的結(jié)構(gòu)從行為級(jí)方面降低了系統(tǒng)的功耗;時(shí)鐘管理方案則可以允許系統(tǒng)在不同的工作模式下使用不同的工作頻率,從而使每一個(gè)單項(xiàng)任務(wù)所消耗的功耗最小;增強(qiáng)型的哈佛結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)管理可以大大提高系統(tǒng)的并行性,提高系統(tǒng)效率。

1 流水線結(jié)構(gòu)

流水線結(jié)構(gòu)是芯片行為級(jí)降低功耗的主要方法之一,下面簡(jiǎn)要分析其原理。在傳統(tǒng)的分析方法中,cmos電路的功耗可用下面的方程進(jìn)行估計(jì):

其中f=1/ts,ts是原始時(shí)序系統(tǒng)的時(shí)鐘周期。若是一個(gè)m級(jí)流水線系統(tǒng),其關(guān)鍵路徑則縮短為原路經(jīng)長(zhǎng)度的1/m,一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)充放電電容則減小為ccharge/m(注意總電容并沒(méi)有變化)。如果時(shí)鐘速度保持不變,則在原來(lái)對(duì)電容ccharge充放電的同樣時(shí)間內(nèi),現(xiàn)在只需要對(duì)ccharge/m進(jìn)行充放電,這就意味著電源電壓可以降低到βvdd,其中β是一個(gè)小于1的常數(shù)。這樣,流水線濾波器的功耗將為:

和原始系統(tǒng)相比流水線系統(tǒng)的功耗降低了β2倍。

該dsp處理器采用如圖1所示的4級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。各級(jí)流水線的功能介紹如下:

fi:取址階段。由程序地址產(chǎn)生模塊產(chǎn)生指令存儲(chǔ)器地址,并取出指令。
di:譯碼階段。通過(guò)指令譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的微控制信號(hào),送入相應(yīng)的控制寄存器。

fo:取操作數(shù)階段。從寄存器堆或外部存儲(chǔ)器讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)總線送入運(yùn)算單元或寄存器堆。

exe/wb:執(zhí)行及寫(xiě)回階段。進(jìn)行運(yùn)算或操作,得出相應(yīng)的結(jié)果,并將結(jié)果放到寫(xiě)總線(eb)上。

2 外圍接口部分

外圍接口部分提供系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種連接方式,實(shí)現(xiàn)各種方式的信息傳輸。本設(shè)計(jì)把這些接口分為二大部分:(1)mcu類型的接口,如低速的串行端口(串行外圍接口(spi)和通用異步收發(fā)器(uart))、可編程通信接口(pci)、通用串行總線(usb)以及一些外圍設(shè)備。(2)適于媒體信息收發(fā)的高速接口,如異步串行端口和并行外圍接口。

3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理是數(shù)據(jù)量很大的應(yīng)用,所以如何高效地傳輸數(shù)據(jù)是一個(gè)影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵瓶頸。作為dsp處理器,必須有全面的dma能力以便對(duì)數(shù)據(jù)在芯片內(nèi)外進(jìn)行傳輸。因?yàn)樵赿sp芯片內(nèi)部集成足夠的存儲(chǔ)空間不大現(xiàn)實(shí),所以必須采用dma來(lái)管理流動(dòng)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)控制過(guò)程分開(kāi)。這樣,一方面可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?另一方面可以降低處理器內(nèi)核的負(fù)擔(dān),提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中dma采用基于描述符的傳送,它在發(fā)起dma傳送序列時(shí),需要一組存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參數(shù)。這類傳送允許將多個(gè)dma序列鏈接在一起,一個(gè)dma通道可以被編程建立,并且在當(dāng)前序列完成之后啟動(dòng)另一個(gè)dma傳送。

4 乘法器和邏輯單元的設(shè)計(jì)

在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中,實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算是其突出的特點(diǎn),所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須具有單獨(dú)的乘法器以實(shí)現(xiàn)其性能的提高。乘法器和邏輯單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

乘法器工作時(shí),用1條lt(load tr)指令加載tr,由tr提供一個(gè)乘數(shù)。乘法指令提供另一個(gè)操作數(shù),它既可以是來(lái)自數(shù)據(jù)總線,也可以是來(lái)自程序總線的立即數(shù)。不管在哪種情況下,每個(gè)周期都可以獲得穩(wěn)定的乘積項(xiàng)輸出。

3個(gè)移位器(shifter)是桶式移位器,它提供對(duì)16位或32位的操作數(shù)進(jìn)行移位操作,可以大大提高乘后累加的速度。

5 地址處理模塊

地址處理模塊是為總線部件計(jì)算取指和取數(shù)據(jù)的地址,也包括處理一些重復(fù)指令和跳轉(zhuǎn)指令。根據(jù)指令系統(tǒng)的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)的地址處理單元如圖3所示。

派生地址可能來(lái)自s_bus,或是上一地址的加1值,也可能是總線輸入數(shù)據(jù)暫存器datain之一;指令指針ic的值可能來(lái)自s_bus或者是自增1的結(jié)果;預(yù)取指針preic可能來(lái)自ic或者是自加1的結(jié)果。最后的輸出地址是派生地址暫存器addrtemp、指令指針ic、總線輸入數(shù)據(jù)暫存器datain或預(yù)取指針preic這4種地址之一。

當(dāng)執(zhí)行的指令需要計(jì)算有效地址時(shí),輸出地址是派生地址寄存器;當(dāng)程序跳轉(zhuǎn)時(shí),輸出地址是指令指針ic;當(dāng)尋址方式是間接尋址時(shí),輸出地址是datain; 當(dāng)預(yù)取指令時(shí),輸出地址是預(yù)取指針preic。
因?yàn)閍ddrtemp和ic的增量計(jì)算在系統(tǒng)中不可能同時(shí)出現(xiàn),所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中只設(shè)計(jì)一個(gè)增量器供二者共用。

6 存儲(chǔ)器的組織管理

在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的吞吐率直接影響系統(tǒng)的性能,傳統(tǒng)的馮·諾曼(von neuman)結(jié)構(gòu)是將指令、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中統(tǒng)一編址,依靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址來(lái)區(qū)分指令和數(shù)據(jù)。取指令和取數(shù)據(jù)都訪問(wèn)同一存儲(chǔ)器,數(shù)據(jù)吞吐率低。而哈佛結(jié)構(gòu)則不同于傳統(tǒng)的馮·諾曼結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中,即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是2個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器,每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址,獨(dú)立訪問(wèn)。系統(tǒng)中設(shè)置了程序和數(shù)據(jù)2條總線,從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了1倍。

本文的設(shè)計(jì)采用如圖4所示的增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu),它包括1個(gè)程序代碼存儲(chǔ)器和2個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,其中程序代碼存儲(chǔ)器只存放指令,程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放程序數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器則存放通用數(shù)據(jù)。對(duì)這些存儲(chǔ)器的訪問(wèn)是相互獨(dú)立的,系統(tǒng)可以在取指令的同時(shí)提供2個(gè)操作數(shù),因而大大提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

為了使用更大的虛擬地址空間,對(duì)存儲(chǔ)器采用分頁(yè)管理,幾個(gè)不同的頁(yè)可以占用同一段地址空間,由各個(gè)存儲(chǔ)器的分頁(yè)寄存器指明當(dāng)前所訪問(wèn)的是哪一頁(yè)。

7 時(shí)鐘管理方案

由公式(1)可以看出,系統(tǒng)的功耗和時(shí)鐘頻率呈線性關(guān)系,因此,通過(guò)降低系統(tǒng)時(shí)鐘可以有效地降低功耗。時(shí)鐘管理方案為系統(tǒng)提供了在不同工作模式下進(jìn)行工作的頻率,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖可知,外部輸入時(shí)鐘clki經(jīng)過(guò)全局輸入緩沖器ibufg連接到延遲鎖相環(huán)dll,鎖相環(huán)原相時(shí)鐘經(jīng)過(guò)全局緩沖器bufg輸出,這樣就可以得到穩(wěn)定的片內(nèi)原時(shí)鐘;系統(tǒng)在低功耗模式下,可以根據(jù)用戶配置的時(shí)鐘分頻計(jì)數(shù)器的值將原時(shí)鐘分頻,產(chǎn)生分頻時(shí)鐘;如果系統(tǒng)時(shí)鐘要停止,可直接將低電平作為時(shí)鐘輸出。

以上3種時(shí)鐘經(jīng)過(guò)多路選擇器輸出,該內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘已經(jīng)不是穩(wěn)定的時(shí)鐘。因此,將該時(shí)鐘輸出到片外,然后將輸入連接到片上時(shí)鐘專用線,即經(jīng)過(guò)全局輸入緩沖器連接到延遲鎖相環(huán),鎖相環(huán)原相時(shí)鐘經(jīng)過(guò)全局緩沖器輸出產(chǎn)生穩(wěn)定的系統(tǒng)主時(shí)鐘。同時(shí),鎖相環(huán)二分頻時(shí)鐘經(jīng)過(guò)全局緩沖器輸出作為系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)鐘,由它參與系統(tǒng)控制。此外,將該鎖相環(huán)的時(shí)鐘鎖定標(biāo)志locked輸出,便于在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)觀察內(nèi)部時(shí)鐘的穩(wěn)定性。

本文介紹的低功耗dsp處理器的設(shè)計(jì),相對(duì)于其他處理器的解決方案具有成本低、復(fù)雜性小、產(chǎn)品上市時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),并且能夠以較低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)各種便攜式數(shù)字信號(hào)處理性能。該設(shè)計(jì)方法可作為同類設(shè)計(jì)的參考。