DSP推動(dòng)3G移動(dòng)通信革命
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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://2s4d.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?！?/font>
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?！皬木幾g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）
評(píng)論