Цифровые процессоры обработки сигналов фирмы Analog Devices. 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 — 16-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.
ADSP-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 ввода–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 (BDMA), при этом процессор является ведущим. В многопроцессорных системах хост-машина может получить доступ к внутренней памяти процессора через 16-разрядный порт ПДП (IDMA);
- программируемых флагов.
Внутри семейства модели различаются по напряжению питания, объемам внутренней памяти и максимальной производительности. Сводная таблица характеристик процессоров семейства ADSP-218x приведена ниже (см. таблицу).
Наименование | ОЗУ программ (Кслов) | ОЗУ данных (Кслов) | Производи-тельность, МГц | Энергопотребление мА/MIPS | Пита-ние, 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 miniBGA | *** |
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 miniBGA | *** |
ADSP-2185M | 16 | 16 | 75 | 0,4 | 2,5 | 100 LQFP | ** |
ADSP-2185M | 16 | 16 | 75 | 0,4 | 2,5 | 144 miniBGA | *** |
ADSP-2186 | 8 | 8 | 40, 33, 28 | 1,5 | 5 | 100 LQFP | ** |
ADSP-2186 | 8 | 8 | 40 | 1,5 | 5 | 144 miniBGA | *** |
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 miniBGA | *** |
ADSP-2189M | 32 | 48 | 75, 66 | 0,4 | 2,5 | 100 LQFP | ** |
ADSP-2189M | 32 | 48 | 75 | 0,4 | 2,5 | 144 miniBGA | *** |
Здесь необходимо отметить одну черту, отличающую процессоры ADSP-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 (IDMA или BDMA) происходит при включении питания или при общем аппаратном сбросе процессора. Так что модели ADSP-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 ADSP-218x ограничена величиной 75 MIPS. 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 ADSP-219x, что позволило увеличить максимальную производительность до уровня 300 MIPS и улучшить конечные потребительские качества, сохранив совместимость 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 кэш-памятью 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.
- ADSP-2100 Family User’s Manual. 3-rd Edition. Analog Devices, 1995.
- Руководство пользователя по сигнальным микропроцессорам семейства ADSP-2100, СПбГЭТУ, С.Петербург, 1997.