TI 全新TMS320C66x 定點(diǎn)與浮點(diǎn)DSP內(nèi)核成功挑戰(zhàn)速度極限

德州儀器 (TI) 全新 TMS320C66x 數(shù)字信號處理器 (DSP) 內(nèi)核不僅為屢獲殊榮的 C64x+™ 指令集架構(gòu) (ISA) 帶來了顯著的性能提升，同時還在同一處理內(nèi)核中高度集成了針對浮點(diǎn)運(yùn)算的支持。浮點(diǎn)處理技術(shù)首次能夠用于傳統(tǒng)上僅能滿足定點(diǎn)處理運(yùn)行速度要求的處理器中。該 C66x DSP 的 ISA 同時支持單精度和雙精度浮點(diǎn)操作，并全面兼容 IEEE 754 標(biāo)準(zhǔn)。這一完美組合造就了無與倫比的DSP，能夠在完全無損定點(diǎn)或浮點(diǎn)功能的情況下將浮點(diǎn)優(yōu)勢引入高速嵌入式架構(gòu)中。與其它很多可提供浮點(diǎn)協(xié)作單元的嵌入式處理器不同，TI 最新 C66x DSP 內(nèi)核直接將浮點(diǎn)指令集嵌入到C64x 定點(diǎn)指令集中。在C66x CPU上，用戶可以選擇逐條執(zhí)行浮點(diǎn)、定點(diǎn)指令，因?yàn)樵?C66x 中浮點(diǎn)與定點(diǎn)運(yùn)算能力已經(jīng)被完全集成在一起。正是由于這樣，到底使用定點(diǎn) DSP 還是浮點(diǎn) DSP 已不再是設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，因?yàn)?C66x DSP 做到了雙全其美。

在同一 DSP 內(nèi)核中集成定點(diǎn)與浮點(diǎn)功能將使嵌入式系統(tǒng)算法的開發(fā)與部署方式發(fā)生根本性變革。這聽起來似乎有點(diǎn)夸大其辭，不過事實(shí)的確如此。在定點(diǎn)數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)施算法所付51系列串口通訊例程出的艱辛是不可估量的。但充分滿足對速度的需求又使這一工作勢在必行，因?yàn)榈侥壳盀橹故忻嫔线€沒有任何可供使用的快速浮點(diǎn)DSP。我們能夠輕松、便捷地將采用 Matlab 等浮點(diǎn)運(yùn)算工具開發(fā)的算法移植到 DSP 中，而無需費(fèi)力轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)方式處理。借助 TI 新型 C66x DSP 的浮點(diǎn)計(jì)算能力，大多數(shù)轉(zhuǎn)換工作已顯得沒有任何必要。

對二進(jìn)制數(shù)字表示的回顧
包含 TI DSP 等在內(nèi)的所有數(shù)字處理器均采用帶比特串（0 和 1 組成）的二進(jìn)制形式表示數(shù)字。數(shù)字表示精度取決于所使用的比特位數(shù)和表示格式兩個方面。

定點(diǎn)系統(tǒng)使用比特表示一個固定取值范圍，這些值既可以是整數(shù)，也可以是具有固定數(shù)量的整數(shù)及小數(shù)位的數(shù)字。動態(tài)取值范圍因而顯得十分有限，而且超出設(shè)定范圍的值必須達(dá)到端點(diǎn)。

定點(diǎn)處理器通常采用每秒乘法計(jì)算次數(shù)表示其 16 位運(yùn)算性能。為了充分利用處理器的處理能力（例如，為獲得其宣稱的全部性能），為這些處理器開發(fā)的算法不得不在一系列預(yù)先確定范圍的數(shù)字上進(jìn)行操作。在定點(diǎn)實(shí)施過程中無法高效執(zhí)行難以預(yù)知范圍或變化幅度大的數(shù)據(jù)集。

浮點(diǎn)表示通過采用科學(xué)計(jì)數(shù)法來提供更廣的動態(tài)范圍，從而可使用尾數(shù)（或叫有效數(shù)字）及指數(shù)進(jìn)行表示。C66x 內(nèi)核可對 32 個比特位表示的數(shù)值實(shí)施單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，其采用的表示形式如下：(−1)5 × M × 2(N−127)，其中 S 表示符號位，M 表示尾數(shù)或有效數(shù)字位，而 N 則表示指數(shù)。S 只有一個比特位，N 有 8 個比特位，而 M 以 23 個比特位表示。 這樣，數(shù)字表示范圍為 2−127 − 2128，并具有 24 比特精度的有效位。相比而言，16 比特位的定點(diǎn)算法僅能表示 216 個數(shù)值（從 0 到 65535），故其內(nèi)在數(shù)字表示的可變范圍要小很多。所以當(dāng)數(shù)據(jù)集或工作在該數(shù)據(jù)集上的算法不可預(yù)知、動態(tài)變化幅度很大的情況下，浮點(diǎn)數(shù)字表示法更受青睞。另外很重要的一點(diǎn)是，有效數(shù)字始終以‘1’作為第一個數(shù)字，因此其數(shù)值始終保持 24 位精度。

TI 如何創(chuàng)造性地在同一內(nèi)核中同時集成浮點(diǎn)與定點(diǎn)技術(shù)
最新 C66x DSP 內(nèi)核 —— 圖 1 顯示的 C64x+ DSP 是 TI 最新 C66x DSP 的前代產(chǎn)品。該內(nèi)核由兩個對稱的部分 (A B) 組成，每部分具有四個功能單元。一個 .M 單元包含 4 個 16 位乘法器。

圖 1 － TI C64x+ DSP