ADSP系列數(shù)字信號處理器件的應(yīng)用

摘要：ADSP是AD公司生產(chǎn)的浮點式DSP系列產(chǎn)品，文中對幾種ADSP系列產(chǎn)品的特點作了綜合描述，指出了它們各自系列的特性和數(shù)據(jù)處理能力。最后給出了ADSP系列產(chǎn)品應(yīng)用于數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法和程序。

關(guān)鍵詞：超哈佛結(jié)構(gòu) ADSP 多功能指令 自動緩沖 數(shù)字濾波器

DSP（Digital Signal Processing）芯片也稱數(shù)字信號處理器，它是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要特點是能夠?qū)崟r快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。自1980年以來，DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，現(xiàn)在DSP芯片的應(yīng)用越來越廣泛。美國模擬器件公司（Analog Devisces,簡稱AD）是設(shè)計和制造DSP芯片的主要廠商之一。近年來，該公司相繼推出了一系列具有自己特點的DSP芯征，其中有定點DSP芯片ADSP2100/2100A/2101/2103/2105、ADSP2111/2115、ADSP216X以及ADSP2171/2181以用浮點DSP芯片ADSP21000/21020、ADSP2106等。

1 浮點式ADSP芯片的特性

1.1 ADSP2100浮點芯征特性

ADSP21000系列浮點芯片有如下特性：

●快速算術(shù)處理能力

乘法器和ALU、數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器（以下稱DAGs）、程序序列產(chǎn)生器可并行操作；

●可在單周期內(nèi)完成兩個片外存儲器的讀取操作

并行的DAGs能使兩個存儲器的讀/寫操作在一個周期內(nèi)完成；

●動態(tài)擴(kuò)展范圍

●32/40位IEEE標(biāo)準(zhǔn)浮點動態(tài)范圍為10E-38～10E+38，具有32位定點MACs及80位累加器；

●可硬件支持環(huán)形緩沖尋址，DAGs支持對兩個存儲器的環(huán)形緩沖和取模尋址；

●硬件無開銷循環(huán)，嵌套可達(dá)6層。

1.2 ADSP2106X浮點芯片特性

ADSP2106X是高性能的浮點DSP芯片，采用超哈佛結(jié)構(gòu)，具有四條獨立總線（兩條數(shù)據(jù)總線、一條程序總線和一條I/O總線）。它不僅具有ADSP21000系列高性能的核心處理器，而且在結(jié)構(gòu)上增加了以上幾個部分；

●具有大容量的高效片內(nèi)存儲器系統(tǒng)，其中ADSP21060有4M位片內(nèi)存儲器；而ADSP21062和ADSP21061分別有2M和1M位片內(nèi)存儲器；

●內(nèi)含DMA控制器和I/O處理器，允許靈活且無開銷的高速數(shù)據(jù)傳輸，其速率為240Mbytes/s；

●可提供與16位32位處理器的接口；

●具有兩個40Mbit/s的多通道串行口。

2 ADSP芯征處理能力

ADSP系列器件具有很強(qiáng)的運算能力、尋址能力和I/O操作能力，因而有著很高的性能。ADSP器件在常用的券積、濾、FFT以矩陣運算等方面效果較好。若用高級語言調(diào)用DSP板專用ADSP程序模塊，其運算速度可提高2-3個數(shù)量級。ADSP系列器件采用CMOS工藝，因而具有較低的功耗。另外，它們的指令全部兼容，并且在芯片上集成了完整的串行口硬件，從而使功能更加強(qiáng)大。

2.1 運算能力

一個性能優(yōu)良的DSP處理器必須能在單周期內(nèi)完成乘與累加運算與其它運算和邏輯操作的組合。ADSP系列器件因為其內(nèi)有三個獨立的計算單元ALU、MAC和桶形移位器，并經(jīng)結(jié)果總線相連，且任一單元的輸出寄存器均可直接作為其它單元的輸入而被處理，因此，ADSP器件能在一個周期內(nèi)完成對兩處存儲器的讀/寫操作。此外，ALU和MAC還可直接與程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器相連，每個運算單元都有很強(qiáng)的獨立性，允許任意的計算次序，從而避免了重新排序給育種員帶來的額外工作。

2.2 數(shù)據(jù)尋址能力

一個優(yōu)秀的DSP處理器必須能在同一單周期內(nèi)從兩個不同的存儲空間存取兩個操作數(shù)，典型況是一個系數(shù)和一個數(shù)據(jù)字。ADSP系列有兩個獨立的地址發(fā)生器，一個用于從程序存儲器獲取數(shù)據(jù)的地址，另一個則用于數(shù)據(jù)存儲器。每個地址發(fā)生器有8個I（Index）寄器存放地址指針和8個M（Modify）寄存器修改地址，同時具有8個L（Length）寄存器存儲循環(huán)緩沖器尋址的緩沖區(qū)長度。

當(dāng)一個地址被送到地址總線時，地址發(fā)生器將該地址作碼位反轉(zhuǎn)，并為FFT提供了零額外開銷的碼位反轉(zhuǎn)。循環(huán)緩沖是由地址發(fā)生器硬件支持的，對于全部8個循環(huán)緩沖器，地址發(fā)生器可同時維持其中的4個。循環(huán)緩沖器的內(nèi)容可放置在數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器中，并把緩沖區(qū)長度加載到長度寄存器中。當(dāng)?shù)刂分羔樳_(dá)到或超過緩沖區(qū)邊界時會被模邏輯檢測到并自動完成指針回繞工作，在緩沖區(qū)可作前向或后向操作，其步長為任意值，但必須小于緩沖區(qū)長度。直接尋址舉例如下：

MXO=DM（標(biāo)號）；

指令24位寬度，指令中可指定一個14位地址（標(biāo)號）。

間接尋址舉例：

寄存器=DM(I0,M3)；

由數(shù)據(jù)存儲器加載寄存器，并用M3修改I0。

2.3 程序定序能力

程序定序效率主要集中在兩方面：第一是循環(huán)執(zhí)行；第二是如何處理循環(huán)轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移。

ADSP系列的程序定序器支持零額外開銷的“DO UNTIL”循環(huán)。該處理器利用計數(shù)堆棧、環(huán)堆棧和循環(huán)比較可以確定是否應(yīng)終止一個循環(huán)，并轉(zhuǎn)到下一條指令而不需額外開銷周期。

下例是一個3條指令的循環(huán)程序，它被設(shè)計成重復(fù)100次：

CNTR=100;

DO label UNTIL CE

First instruction of Loop

Second instruction of Loop

Label:Last instruction of loop;

First instruction outside Loop；

該程序的循環(huán)機(jī)理是自動的，其堆棧和計數(shù)器的操作及程序流程均由定序器邏輯來處理?？芍С?級循環(huán)嵌套（浮點DSP支持6級循環(huán)嵌套），如矩陣操作、二維處理以及FFI這樣的常用算法，都得益于循環(huán)嵌套能力。

ADSP系列有許條件指令，其中大部分運算指令、跳轉(zhuǎn)、子程序調(diào)用、中斷或子程序返回都是有條件的。踱定序器在運行時，不需額外開銷就可確定該條件是否滿足，并確定采取什么行動。

有關(guān)條件指令的用法舉例如下：

IF Condition JUMP Label;

IF Condition JUMP I4;

IF Condition CALL Label;

I4表示于間接跳轉(zhuǎn)的地址發(fā)生器寄存器；Condition是指處理器16個運算條件中的任一個；Label是指任一地址或程序存儲空間的標(biāo)號。

在中斷發(fā)生或子程序調(diào)用時，處理器狀態(tài)能自動保存在服務(wù)子程序中，無需狀態(tài)引退和恢復(fù)。

2.4 I/O操作能力

ADSP2111/2101可與單字節(jié)寬EPROM直接接口，能有效地引導(dǎo)加載程序而無需附加任何部件。被引導(dǎo)的存儲空間由一個外部64×8位的空間組成，它分為8頁（8k×8位）。復(fù)位時，零引導(dǎo)頁被自動傳到ADSP2111/2101的內(nèi)部RAM中。

它的串行口能以該處理器的速度全速操作，其發(fā)送字和接收字的寬度可編程，能設(shè)為3到16的任意數(shù)值。串行口還允許自動緩沖。在規(guī)定好緩沖區(qū)長度、緩沖區(qū)首地址和修改值后，它便能自動更新地址。當(dāng)每個字通過串行口被傳送時，數(shù)據(jù)被自動讀出或?qū)懭爰拇嫫鳎鵁o需產(chǎn)生中斷。另外，ADSP2111/2101還具有如下特點：

●每個串行口具有獨立的發(fā)送和接收硬件。采用雙緩沖寄存器，可在一個時鐘周期內(nèi)同時完成壓擴(kuò)，從而實現(xiàn)全雙工，μ律和A律壓擴(kuò)功能可任意選擇。

●接口靈活。每個串行口均工作在自己的串行口時鐘SCLK下，SCLK和幀同步信號既可由外部輸入，也可內(nèi)部產(chǎn)生。數(shù)據(jù)字長在3-16bit之間變。

●使用獨立的收、發(fā)幀信號定義串行數(shù)據(jù)字的傳輸開始，可選擇需不需要幀同步，長幀還是短幀，電平觸發(fā)還是邊沿觸發(fā)。

●自動緩沖功能。當(dāng)設(shè)定為自動緩沖模式后，串行口會自動接收發(fā)送一整塊的數(shù)據(jù)，不需要軟件開銷，僅當(dāng)緩沖區(qū)的指針產(chǎn)生回繞時產(chǎn)生一個中斷請求。

●多路能力。SPORT0具有多路選擇接收和發(fā)送功能，可從24或32路時分復(fù)用比特流中選取某時隙的有效數(shù)據(jù)字。

每個串行口各有五條引腳與外圍電路連接。SCLK（時鐘）、RFS（接收幀同步）、TFS（發(fā)送幀同步）、DR（數(shù)據(jù)接收）和DT（數(shù)據(jù)發(fā)送）。

2.5 ADSP2106X的DMA處理能力

ADSP2106X的片內(nèi)Direct Memory Access（DMA）功能可提供一種進(jìn)行整塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制。這使得ADSP2106X的內(nèi)部存儲器和外部存儲器、外設(shè)或主處理器、串行口之間能夠進(jìn)行DMA傳輸。外部存儲器和外設(shè)之間也能進(jìn)行DMA傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，ADSP2106X的片內(nèi)DMA控制器發(fā)揮著關(guān)鍵作用。DMA控制器可獨立操作，且核心處理器不可見。它允許核心處理器在運行程序和指令的同時進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳輸，以減輕核心處理器在數(shù)據(jù)傳輸過程中的壓力。

3 數(shù)字模型的建立和算法的實現(xiàn)

為實現(xiàn)對某特定頻率的濾波，程序中共使用了兩種數(shù)字模型。（采用的是ADSP21XX定點處理器）。

3.1 諧振器合成濾波器

對某特定頻率進(jìn)行濾波的諧振器合成濾波器是利用對前兩個數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)的相關(guān)性來實現(xiàn)的。這在算法實現(xiàn)上要比以往的FFT、IIR等傳統(tǒng)濾波器容量得多，其主要優(yōu)點是節(jié)省指令。對某頻率數(shù)據(jù)的處理如圖1所示。圖中Ya的取得與前N個數(shù)據(jù)相關(guān)，其算式為：

Ya=X(n)-RNX(n-N);

Yb與前n-2個數(shù)據(jù)相關(guān)，其算式為：

Yb=Ya(n)-Rya(n-2);

對于Yn的獲得則通過一個揩振器對Yb進(jìn)行處理，其處理算式為：

Yn=∑Yb(n)+Yc(n-1)×2cos(2kπ/N)-Ryc(n-2)

其中N值取決于所要求的帶寬和采產(chǎn)頻率。由于我們處理的是PCM脈碼信號，故取采樣頻率f0=8kc，根據(jù)實際情況，建議取帶寬為50Hz為佳。

則有：

N=f0/△f=8kc/25=320

關(guān)于系數(shù)R的取值，可取經(jīng)驗值0.99。然后將R和cos的乘積作成一個固定系數(shù)。對應(yīng)于700、900、1100、1300、1500、1700六個基準(zhǔn)頻率的值分別為0X6C0C、0C605C、0X524C、0X4236、0X327E、0X1D95。

采用ADSP匯編語言來實現(xiàn)這一設(shè)計的程序如下：

mx0=dm(i3,m0);

my0=dm(const-r);

mr=mx0×my0(ss)；

ar=ay0-mr1;

ay0=ar; {Yb}

cntr=6;

do result until ce;

mx0=dm(i2,m1);

my0=dm(const-rs);

mr=mx0×my0(ss);

mx0=dm(i2,m2);

my0=pm(i5,m5);

af=ay0-mr1;

mr=ay0-mr1;

mr=mx0×my0(ss);

ar=mr1+af; {Yn}

dm(i2,m1)=mx0;

result:dm(i2,m1)=ar;

圖2為用700Hz程序運行時，在示波器上所看見的波形。

3.2 水缸判別

對濾波器濾出的數(shù)據(jù)進(jìn)行水缸積累，使之達(dá)到一種動態(tài)平衡，讓其在有數(shù)據(jù)時水缸漸滿，無數(shù)據(jù)時水缸不變。這時有：

A=Yc(M+A-A)M

其中M的取值取決于所要計算的數(shù)據(jù)的多少，本程序中取M=128；圖3為700Hz的水缸判別圖。

當(dāng)曲線超過A時，表示數(shù)據(jù)已有，在A和B之間的數(shù)據(jù)表示700Hz的頻率已捕獲。對不同值的信號可調(diào)節(jié)A、B的值，使它們達(dá)到一種公共值。

用ADSP匯編語言來實現(xiàn)這一設(shè)計的程序如下：

（對700Hz,采用8kc采樣）

AR=DM(I2,M3);

AR=ABS AR;

AY0=DY(I1,M0);

AR=AR-AY0;

SR=ASHIFT AR BY-6(LO);

AR=SR0+AY0;

DM(I1,M3)=AR;

AR=AR-AY1;

IF GT JUMP判別處理；

該算法可用于對某些特定頻率的濾波，這在實際工作中效果非常明顯。