一“芯”二用，MCU+DSP處理器大盤點(diǎn)

　　近年來(lái)，越來(lái)越多的領(lǐng)域需要用到高性能，高集成度的DSP器件，功能日益增加的多媒體處理器對(duì)DSP的需求也日益劇增，于是，基于MCU+DSP架構(gòu)的集成芯片也隨之應(yīng)運(yùn)而生，更低的成本、更小的封裝和更微的功耗所開辟的，是一條屬于DSP或者M(jìn)CU廠商們的“陽(yáng)光大道“而未來(lái)，它們還將沿著這條新路繼續(xù)前行。本系列文章將為你介紹市面上比較流行的基于MCU+DSP架構(gòu)的處理器或者解決方案。

　　飛思卡爾DSP56800E

　　飛思卡爾在DSP與MCU領(lǐng)域深耕數(shù)年，為滿足市場(chǎng)發(fā)展需求，公司率先在56800內(nèi)核基礎(chǔ)上又推出了新一代增強(qiáng)型內(nèi)核56800E，該產(chǎn)品可在單一內(nèi)核上提供DSP和MCU雙重功能。56800E 系列DSP將為不斷增長(zhǎng)的工業(yè)、電機(jī)控制、汽車和融合中的通信與數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)應(yīng)用提供低功耗、低成本的單芯片方案。由于這種單內(nèi)核設(shè)計(jì)消耗更少的功耗，飛思卡爾啟動(dòng)了大量新的、以電池供電、需要信號(hào)處理功能的便攜式應(yīng)用，如便攜式數(shù)字音頻、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和PDA等。

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2.基于56800E數(shù)字信號(hào)處理和霍爾傳感器的三相BLDC電機(jī)控制

　　簡(jiǎn)介

　　與56800相比，56800E性能最高可改善5倍，為需要更多存儲(chǔ)空間、更高代碼編譯效率和更高的MIPS性能的客戶提供了清晰的產(chǎn)品移植路徑。DSP56800E 由幾個(gè)功能獨(dú)立的模塊組成。包括：數(shù)據(jù)算術(shù)邏輯單元（ALU），地址生成單元（AGU），程序控制器，位操作單元，強(qiáng)化的片上仿真模塊（Enhanced OnCE）和系統(tǒng)總線。如圖所示。

　　靈活的內(nèi)存模式是DSP56800E 結(jié)構(gòu)的一大特色，包括下面的幾個(gè)方面：

　　程序RAM 和ROM 模塊

　　數(shù)據(jù)RAM 和ROM 模塊

　　非易失內(nèi)存（NVM）模塊

　　引導(dǎo)ROM，自舉RAM 區(qū)執(zhí)行代碼的模塊

　　Freescale 的標(biāo)準(zhǔn)片上外圍接口總線（IP-BUS）支持多種的片上外設(shè)模塊，包括下面幾個(gè)模塊：

　　鎖相環(huán)（PLL）模塊

　　16 位定時(shí)器模塊

　　看門狗（COP）模塊和實(shí)時(shí)定時(shí)模塊

　　同步串行接口（SSI）模塊

　　串行外設(shè)接口（SPI）模塊

　　可編程的通用I/O 口（GPIO）模塊

　　特性

　　DSP56800E 結(jié)構(gòu)具有一系列新的特點(diǎn)，用于提高系統(tǒng)性能，降低應(yīng)用成本，簡(jiǎn)化產(chǎn)品開發(fā)。包括以下各個(gè)方面。

　　高性能：DSP56800E 支持很多的ＤＳＣ應(yīng)用場(chǎng)合。

　　兼容性：向下兼容DSP56800 系列的源代碼，DSP56800 只需要重新編譯或者重新匯編就可以在DSP56800E 系統(tǒng)上執(zhí)行。

　　易編程性：DSP56800E 的指令助記符類似于MCU 的指令助記符，易于從傳統(tǒng)的微控制器編程轉(zhuǎn)到DSC 編程。為了優(yōu)化算法的執(zhí)行，DSP56800E 的指令集支持小數(shù)和整數(shù)類型。

　　對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的支持：C 語(yǔ)言編寫的程序非常合適DSP56800E 結(jié)構(gòu)，大部分的應(yīng)用可以使用高級(jí)語(yǔ)言編寫卻不會(huì)影響DSC 的性能，靈活的指令集和編程模式使得編譯代碼的高效生成變?yōu)榭赡堋?/p>

　　豐富的指令集：除了支持DSC 算法的指令集，DSP56800E 還提供控制、位操作和整型處理等指令，支持多種數(shù)據(jù)類型和尋址模式。使得用戶方便地生成高效、緊湊的代碼。

　　高代碼密度：DSP56800E 基本的單字指令長(zhǎng)度僅為16 位，而多字指令則用于更復(fù)雜的操作，達(dá)到優(yōu)化的代碼密度目的。DSP56800E 指令集強(qiáng)調(diào)的是高效控制的編程，因?yàn)樵谝粋€(gè)應(yīng)用中最大的部分是這方面的操作。

　　支持多任務(wù)：在DSP56800E 上執(zhí)行一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)或者簡(jiǎn)單的多任務(wù)系統(tǒng)將比其他的DSC 芯片更容易。DSP56800E 完全支持軟件堆棧，快速的從系統(tǒng)堆棧中實(shí)現(xiàn)32 位上下文切換，基本的測(cè)試和設(shè)置指令，四優(yōu)先級(jí)的軟件中斷。

　　精確性：DSP56800E 具有精確計(jì)算的能力。

　　硬件循環(huán)：DSP56800E 提供2 種類型大于0 的硬件循環(huán)。提高了性能，使得不再需要使用解開式循環(huán)技術(shù)。

　　并行性：每個(gè)片上執(zhí)行單元，內(nèi)存設(shè)備，外圍操作是獨(dú)立并行處理的。由于很高的并行性，下面的操作能在1 條指令內(nèi)被并行執(zhí)行：

　　—取下條指令

　　—16 位乘16 位，并將結(jié)果和一個(gè)36 位數(shù)累加

　　—可選擇性進(jìn)行結(jié)果取反、四舍五入以及飽和度處理

　　—2 個(gè)16 位數(shù)的移動(dòng)

　　—無(wú)負(fù)荷的硬件循環(huán)

　　—2 個(gè)地址指針的更新

　　不可見的指令管道（pipeline）：八級(jí)指令管道提高了系統(tǒng)的性能，卻保持對(duì)編程者的不可見。開發(fā)者可以使用高級(jí)語(yǔ)言而不需要考慮到管道。

　　低功耗：由于使用的是CMOS 工藝，DSP56800E 本身消耗的能量是很少的， 而且DSP56800E 支持兩種更加省電模式，STOP 和WAIT 模式。電源管理模塊能關(guān)閉那些邏輯上不使用的部分

　　實(shí)時(shí)調(diào)試：Freescale 的加強(qiáng)型片上仿真技術(shù)提供了對(duì)DSP56800E 內(nèi)核的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單、低價(jià)、非入侵、速度無(wú)關(guān)的存取方式。通過(guò)使用這一技術(shù)，在不停止內(nèi)核的運(yùn)行情況下，編程者能完全的控制處理器的操作，能簡(jiǎn)單、高速的完成調(diào)試任務(wù)。

　　DSP56800E 的高效指令集和總線結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展的并行性，片上編程和數(shù)據(jù)內(nèi)存，先進(jìn)的調(diào)試和測(cè)試功能使得內(nèi)核能很好地解決實(shí)時(shí)性問(wèn)題、嵌入式DSC 和控制任務(wù)。

　　內(nèi)核編程模式

　　DSP56800E 的內(nèi)核寄存器被認(rèn)為是內(nèi)核編程模式的一部分。如圖2-1 所示。片上模塊的寄存器被映射到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的64 個(gè)單元上，注意，這64 個(gè)單元在特定的設(shè)備上可以位于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的任何位置。使用內(nèi)存塊的實(shí)例如表2-1 所示。可以參考特定器件的用戶手冊(cè)得到其模塊的細(xì)節(jié)描述，包括它們的功能，存儲(chǔ)區(qū)的寄存器及其映射到內(nèi)存的位置。

　　雙哈佛存儲(chǔ)器

　　DSP56800E 具有程序存儲(chǔ)區(qū)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)分開的雙哈佛結(jié)構(gòu)，如圖2-2 所示。這種結(jié)構(gòu)允許同時(shí)進(jìn)行對(duì)程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的讀寫操作，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器支持同時(shí)2個(gè)地址的讀操作，支持最多達(dá)３個(gè)地址單元的存儲(chǔ)器操作。

　　在程序存儲(chǔ)器中，包含了可以任意大小和放在任意位置的復(fù)位中斷向量。外設(shè)寄存器被映射到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的６４個(gè)字的地址單元。

　　外設(shè)寄存器的６４個(gè)字的地址單元原則上可以被重映射到任意地址。為了不重疊RAM 和ROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊，64 個(gè)字單元的地址通常被特別設(shè)定，X：《《pp 尋址模式提供了針對(duì)64 個(gè)單元的高效訪問(wèn)，提供了單字，單周期轉(zhuǎn)移和位操作指令。

　　注意在64 個(gè)單元的最上面12 個(gè)單元被DSP56800E 內(nèi)核保留使用，用于中斷優(yōu)先級(jí)，總線控制寄存器。

　　DSC實(shí)例

　　DSC 是一種能對(duì)周期性地采樣和數(shù)字化的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行算術(shù)的處理器，DSC 實(shí)例都包含以下幾個(gè)方面：

　　濾波

　　卷積（混合兩個(gè)信號(hào)）

　　相關(guān)（比較兩個(gè)信號(hào)）

　　整流，放大和傳輸

　　圖1-3 是1 個(gè)模擬信號(hào)處理的例子。圖中的電路過(guò)濾了來(lái)自的傳感器的信號(hào)，傳感器信號(hào)采集電路使用了1 個(gè)可調(diào)節(jié)的放大器，并利用該結(jié)果控制1 個(gè)動(dòng)力臂。理想的濾波器是無(wú)法設(shè)計(jì)出來(lái)的，工程師設(shè)計(jì)濾波器時(shí)必須盡量滿足：可接受的響應(yīng)性，不同溫度的變化，元器件老化，電源波動(dòng)和元器件的精度等因素。按照這樣要求設(shè)計(jì)出來(lái)的電路一般具有很低的抗干擾性，需要經(jīng)常調(diào)整參數(shù)且難于修改。

　　使用 DSC 的等效電路如圖1-4 所示。這個(gè)應(yīng)用除了DSC 之外，還要求1 個(gè)A/D 轉(zhuǎn)化器和D/A 轉(zhuǎn)化器。

　　上圖的處理電路首先通過(guò) 1 個(gè)濾波器限制輸入信號(hào)的波段，將去除了超過(guò)波段的干擾信號(hào)。然后信號(hào)被取樣，通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換器數(shù)字化并送入DSC 進(jìn)行數(shù)字化處理。DSC的輸出通過(guò)DA 轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)并通過(guò)低通過(guò)濾，消除數(shù)字化的影響。

　　通過(guò)DSC 執(zhí)行的特定的濾波嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是個(gè)軟件的過(guò)程。DSC 能執(zhí)行任何使用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的濾波器。而且，使用模擬技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)性過(guò)濾，能很容易的通過(guò)DSC 實(shí)現(xiàn)。

　　總之，使用DSC 的優(yōu)勢(shì)如下：

　　更少的元件

　　穩(wěn)定，確定的性能

　　無(wú)需調(diào)整濾波系數(shù)

　　廣泛的應(yīng)用范圍

　　更加鮮明的過(guò)濾特點(diǎn)

　　抗噪聲能力強(qiáng)

　　易實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性過(guò)濾

　　具有自測(cè)試功能

　　較好的電源干擾抵制機(jī)制

　　DSP56800E 系列不是為了一個(gè)特定的應(yīng)用專門定制的IC 芯片，而是作為一種通用目的的DSC 結(jié)構(gòu)，用于高效的執(zhí)行普通DSC 算法和控制代碼。

　　如圖1-5 所示，DSC 關(guān)鍵的屬性如下：

　　乘法累加（MAC）操作

　　MAC 的每個(gè)指令周期取2 條操作數(shù)

　　強(qiáng)大的指令集保證了執(zhí)行的靈活性

　　移入/出DSC 數(shù)據(jù)

　　MAC 操作是一個(gè)在DSC 中的基本操作，DSC56800E 雙哈佛結(jié)構(gòu)優(yōu)化了MAC 操作，通過(guò)同時(shí)對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)單元存取使得乘法操作和加法操作在一個(gè)MAC 時(shí)鐘周期內(nèi)完成。整個(gè)過(guò)程必須在程序的控制下才能完成從乘法器的取數(shù)和對(duì)計(jì)算結(jié)果的轉(zhuǎn)存。由于內(nèi)存和MAC 是互相獨(dú)立的，DSC 能在一條指令內(nèi)執(zhí)行兩個(gè)內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換，一個(gè)乘法和加法運(yùn)算，兩個(gè)地址的更新等操作，使得很多DSC 級(jí)的處理器能更加高效的執(zhí)行乘法運(yùn)算。