DSP推動(dòng)3G移動(dòng)通信革命
新近涌現(xiàn)的各種數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的規(guī)格尺寸繁多,外形各式各樣,令人難以勝數(shù),其設(shè)計(jì)目標(biāo)也是為了滿足各種對(duì)性能要求高低不同的應(yīng)用。這些需求既包括附加在現(xiàn)有的處理器上、用于提供DSP功能的簡(jiǎn)易編碼器,也包括可以驅(qū)動(dòng)整個(gè)第三代蜂窩式電話的高性能器件。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/2809.htm早期的DSP主要用于數(shù)學(xué)運(yùn)算。但后來它們的應(yīng)用大大拓寬。其結(jié)果是,現(xiàn)在DSP也應(yīng)用于以前專屬于微控制器的那些領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中,DSP所作的工作要比微控制器在同一領(lǐng)域中要重得多,因?yàn)橄到y(tǒng)現(xiàn)在靠一個(gè)處理器(DSP)工作,而非兩個(gè)處理器(DSP/微控制器組合)。
設(shè)計(jì)者也在改進(jìn)其編寫代碼的方式。例如,現(xiàn)在有多種途徑可以實(shí)現(xiàn)一種特定的函數(shù)(如FFT)。處理器輸入數(shù)據(jù),進(jìn)行處理然后再輸出數(shù)據(jù)。兩種不同的算法可以產(chǎn)生相同的結(jié)果,但途徑不同,對(duì)運(yùn)算能力的要求也大相徑庭。隨著工具的改進(jìn)和設(shè)計(jì)者越來越適應(yīng)DSP技術(shù),這一現(xiàn)象也將得到改善。
由于DSP不象傳統(tǒng)的微處理器和微控制器的應(yīng)用環(huán)境那樣成熟和確定,零售商就必須提供一攬子服務(wù),包括軟件和開發(fā)工具,而不僅僅是芯片本身。這就是DSP供應(yīng)商有別于其他供應(yīng)商的一個(gè)方面——給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供所需的全套軟件和工具,而不是把客戶推給第三方。在方便設(shè)計(jì)者的同時(shí),這樣做也可以縮短基于DSP的產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。
ARC是給現(xiàn)有產(chǎn)品添加一定程度DSP功能的多家廠商中的一家,只是所采用的方式有所不同。該公司提供了一個(gè)可定義的內(nèi)核,而不是無法改動(dòng)的硅片。用戶使用可定義的核時(shí),可以將其拆散,并按完全不同的體系結(jié)構(gòu)重組。因此,當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)者決定在他的處理器中添加DSP功能時(shí),最終獲得的處理器從根本上來看將是全新的。
在使用一個(gè)固定的(如具有ARM或MIPS核)處理器時(shí),添加DSP功能就要改變現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu),這就要求設(shè)計(jì)者學(xué)習(xí)新的軟件或工具。因此,這些廠商有必要與現(xiàn)有的技術(shù)保持一致。因?yàn)樵?/font>ARM或類似的產(chǎn)品中,設(shè)計(jì)者對(duì)開發(fā)工具及其達(dá)到的性能水平已經(jīng)熟悉和適應(yīng)。但這也從根本上限制了設(shè)計(jì),你不論添加什么,只能放置在核的外圍。真正的關(guān)鍵在于DSP協(xié)處理器(如果這是實(shí)現(xiàn)的方式)和主核間的帶寬。
用PLD(可編程邏輯器件)以搭積木的方式也可以實(shí)現(xiàn)DSP。在這種方法中,固定的功能一般下載到芯片中。這些功能可包括FIR 濾波、FFT和糾錯(cuò)。顯然,PLD的功耗比傳統(tǒng)的DSP更多,但從所獲得的靈活性來看也是一種不錯(cuò)的選擇。
Altera 公司的一位產(chǎn)品市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理Justin Cowling說:“用一個(gè)PLD構(gòu)建的DSP IP核可以取代電路板上的多個(gè)DSP,當(dāng)你談?wù)摪褞讉€(gè)DSP放到電路板上時(shí),功耗明顯高于單個(gè)PLD。我們已經(jīng)建立了一個(gè)很大的功能固定的DSP功能庫。當(dāng)一個(gè)客戶設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí),他只需畫一個(gè)包含多個(gè)DSP功能的方框圖。”
添加DSP IP對(duì)LSI Logic公司的工作人員來說是很自然的事。該公司提供低功耗的可以集成到一片ASIC中的DSP核。CW3000和CW3001兩種核均基于LSI ZSP400體系,分別在95和152MHz兩種頻率下工作(圖1)。ZSP400是一種完全靜態(tài)的核,可以接受高級(jí)時(shí)鐘管理和低功耗工作模式。這些低功耗模式使得非關(guān)鍵的外圍設(shè)備和系統(tǒng)時(shí)鐘可以采用軟件或外部中斷控制,而時(shí)鐘管理允許核在逐個(gè)周期基礎(chǔ)上避開無效邏輯的時(shí)鐘控制。
這種基于核的方法的優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)者明白DSP核提供完全兼容的集成后,可以用符合ZSP標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品制作樣機(jī)。通過采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)總線(AHB),ASIC開發(fā)者可以選擇多種處理器, 如MIPS和ARM。
Analog Devices 公司(ADI)最近發(fā)布了一種屬于高端的DSP產(chǎn)品。所推出的Blackfin系列處理器基于一種特殊的核,而該核與Intel公司的產(chǎn)品一前一后推出。ADI宣稱這種核在DSP運(yùn)算性能和功耗方面取得了突破。該系列處理器瞄準(zhǔn)了“混合產(chǎn)品”,即組合了通信和運(yùn)算功能的系統(tǒng)。系列中的第一款21535目前正在進(jìn)行樣品展示。ADI認(rèn)為,其優(yōu)勢(shì)之一是有該公司的無線研發(fā)小組參與開發(fā)。這兩類研發(fā)小組的“雜交”應(yīng)該能加快此類混合產(chǎn)品的推出。
Blackfin產(chǎn)品采用了動(dòng)態(tài)功耗管理。這意味著在運(yùn)行中可以調(diào)整頻率和電壓,以使性能和電池壽命最優(yōu)化。為了增強(qiáng)動(dòng)態(tài)功耗管理,ADI開發(fā)了用于調(diào)節(jié)DSP電壓和頻率的芯片組。在核方面,ADI試圖很快將Blackfin技術(shù)的處理能力從目前的工作頻率300MHz和運(yùn)算能力600M MAC(即每秒6億次乘法—累加操作)提高到工作頻率1GHz 和運(yùn)算速度20億MAC。完整的21535具有豐富的外圍配置,包括USB和PCI接口,以及傳統(tǒng)的DSP類的外設(shè)(圖2)。產(chǎn)品系列中的下一代將針對(duì)特定的市場(chǎng)分區(qū)采用不同的外設(shè)配置。
如今一般的移動(dòng)電話包含一個(gè)DSP和一個(gè)通用的處理器,如一個(gè)RISC處理器。這是因?yàn)橛袝r(shí)在進(jìn)行通用信號(hào)處理的同時(shí)還需要進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。例如,通過電話交談時(shí)需要用到聲音編碼、壓縮和其他DSP功能,同時(shí)用戶可能還要按鍵盤上的按鍵,并閱讀顯示的信息。由于DSP必須實(shí)時(shí)運(yùn)算以防止丟失采樣點(diǎn),因此對(duì)鍵盤和顯示的控制必須由通用處理器來進(jìn)行。
TI公司的一位董事兼高級(jí)DSP開發(fā)部經(jīng)理Ray Simar說,“幾年前,那些器件將是兩塊單獨(dú)的芯片——通用的RISC處理器和DSP,”現(xiàn)在,我們可以把它們集成在同一個(gè)封裝中。由于存儲(chǔ)器是內(nèi)置的,它們?cè)诠姆矫嬲加袃?yōu)勢(shì),面積也減小了。”
Simar接著說:“同時(shí),電壓也下降了。功耗大致與電壓的平方成正比。如果你能始終降低電壓的量值,就可以大大減少功耗。這很令人感興趣,因?yàn)榭s小裝置的幾何尺寸勢(shì)必要求我們采用更低的電壓,這與在DSP應(yīng)用中降低功耗的需求相一致。”
在加快單個(gè)DSP—RISC處理器組合芯片研制進(jìn)程的同時(shí),TI和ARM最近宣布了一項(xiàng)協(xié)議:TI將獲得許可,在ARM v6體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)IC。該結(jié)構(gòu)體系是兩個(gè)公司兩年合作的結(jié)果,能使TI將其DSP與ARM的體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無縫連接。
ARM和TI兩家公司這一為期兩年的合作成果集成了雙方技術(shù)的一些新的特征,改進(jìn)了數(shù)據(jù)同步、共享存儲(chǔ)管理并獲得更有效的OS操作。其目標(biāo)是提高最終系統(tǒng)在運(yùn)行實(shí)時(shí)聲頻和視頻程序時(shí)的性能,并保持低功耗?;谶@種體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品將從ARM獲得,形式是合作商經(jīng)過許可后可以在所設(shè)計(jì)的ASIC或ASSP中使用相應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)核。
StarCore公司開發(fā)的內(nèi)核應(yīng)用于Motorola和Agere System公司的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,他們相信自己的解決辦法適用于便攜式應(yīng)用,因?yàn)槠浜说膽?yīng)用效率(用低功耗和緊湊代碼密度的組合定義)較高。與一些更為傳統(tǒng)的DSP供應(yīng)商不同,StarCore的研究小組只專注于核的開發(fā),完成后將核移交給Motorola和Agere的設(shè)計(jì)隊(duì)伍,來開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的DSP產(chǎn)品。
為了在減小功耗的同時(shí)不至于降低性能,采用了傳統(tǒng)的節(jié)能模式,如關(guān)閉未使用的那部分處理器。內(nèi)核也可以在運(yùn)行中改變其工作頻率。
StarCore最新推出的SC140就是基于一個(gè)VLIW(超長(zhǎng)指令字)類的結(jié)構(gòu)。與前一代產(chǎn)品相比其改進(jìn)之處在于:當(dāng)指令調(diào)入執(zhí)行單元時(shí),無須使用OP指令。而且在分區(qū)指令方面沒有對(duì)準(zhǔn)的限制。這不會(huì)減少對(duì)存儲(chǔ)器的讀取操作,而執(zhí)行單元在不使用時(shí)不必加以時(shí)鐘控制。
SC140可以在0.9~1.5V的電壓范圍內(nèi)工作,在0.9V工作時(shí),核可以達(dá)到120MHz的頻率。由于它是4MAC的結(jié)構(gòu),這就可以產(chǎn)生約480M MAC的計(jì)算速度(圖3)。核在0.9V時(shí)的峰值功耗,包括對(duì)存儲(chǔ)器的讀取,一般在40mW以下(假定每個(gè)執(zhí)行單元在執(zhí)行一條指令,典型應(yīng)用中并不總是這種情況)。
“對(duì)于一個(gè)典型的無線裝置來說,我們希望它在盡可能接近1V的條件下工作,”StarCore公司一位市場(chǎng)總管Scott Beach說,“但對(duì)于一個(gè)高端系統(tǒng),如3G系統(tǒng)來說,你可能要讓它在1.5V下工作,才能使工作頻率接近300MHz。”
StarCore體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保兼容性,使得用戶可以用C編譯器開發(fā)大多數(shù)代碼。“從編譯的角度來看,關(guān)鍵在于編譯人員要協(xié)助確定有多少個(gè)寄存器,并確保體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)不同的方面相互一致,從而保證編譯器能利用這一點(diǎn),并生成有用的代碼?!盉each解釋說,“我們的目標(biāo)是讓編譯器開發(fā)并生成有用的代碼,從而只需極少的手工優(yōu)化工作?!?/font>
StarCore 新近宣布了一項(xiàng)與Wind River System公司的協(xié)議,為基于DSP的系統(tǒng)芯片(SoC)嵌入式應(yīng)用建立一個(gè)集成的軟、硬件開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)將把Wind River的嵌入式軟件和開發(fā)工具與最新的StarCore的DSP技術(shù)結(jié)合起來。根據(jù)該項(xiàng)協(xié)議,Agere、Motorola和Wind River將對(duì)Wind River的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)和用于StarCore體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)工具進(jìn)行優(yōu)化,以方便無線通信裝置的開發(fā)。
Wind River將開發(fā)并提供一個(gè)C/C++編譯器和一套運(yùn)行分析軟件、一個(gè)針對(duì)StarCore 的源程序級(jí)調(diào)試器和硬件調(diào)試工具,以協(xié)助早期的硬件和未來Tornado集成開發(fā)環(huán)境的研究。■(繆民譯自《Portable Design》2001,9)
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