新一代數字信號處理器TMS320C55X

摘要：TMS320C55X是美國德州儀器公司生產(chǎn)的一種低功耗高性能數字信號處理器，它的每個(gè)MIPS功耗只需0.05mW，因而可使網(wǎng)絡(luò )音頻播放器在兩節AA電池作電源時(shí)工作200小時(shí)。文中介紹了TMS320C55X的主要特性，并詳細分析了TMS320C55X的CPU結構。

關(guān)鍵詞：數字信號處理器 低功耗 CPU結構 TMS320C55X

1 概述

TMS320C55X是德州儀器公司（TI）數字信號處理器產(chǎn)品TMS320CC5000系列中最新的一種。它極大地降低了功耗，每個(gè)MIPS只需要0.05mW，與目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品TMS320C54X相比，TMS320C55X的功耗降低了6倍。由于TMS320C5000系列具有可編程、低功耗特性，全世界有70%的移動(dòng)電話(huà)使用了這個(gè)系列的元件，而TMS320C55X則通過(guò)其強大的電源管理功能使省電特性進(jìn)一步增強。例如，TMS320C55X可使網(wǎng)絡(luò )音頻播放器用兩節AA電池工作200個(gè)小時(shí)，是目前播放器的10倍；而且它還可以支持所有的INTERNET音頻標準。芯片中的可編程內核與現行主流TMS320C54X軟件相兼容。

TMS320C55X可廣泛應用個(gè)人無(wú)線(xiàn)通信系統，個(gè)人醫療設備（助聽(tīng)器、內耳植入器等）、數字相機、INTERNET音頻系統以及數字音樂(lè )隨射播放器等。

一般來(lái)說(shuō)，TMS320C55X主要針對個(gè)人消費及通信市場(chǎng)，對執行諸如語(yǔ)音解碼和碥碼調制解調、圖像壓縮及解壓、語(yǔ)音識別及語(yǔ)音合成等方面所用到的數字信號處理算法是十分有效的。

2 主要特性

TMS320C55X具有以下特性：

●1個(gè)32×16位的指令緩沖隊列；

●2個(gè)17×17位的乘積并累加單元（multiply-and-accumulate unit,MAC）；

●1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元（ALU）；

●1個(gè)40位的移位器（Shifter）；

●1個(gè)16位算術(shù)邏輯單元（ALU）；

●4個(gè)40位的累加器（accumulate）；

●12組獨立總線(xiàn)。其中包括：3組數據讀總線(xiàn)、2組數據寫(xiě)總線(xiàn)、5組數據地總線(xiàn)、1組等程序讀總線(xiàn)和1組程序寫(xiě)總線(xiàn)。

3 TMS320C55X的CPU結構

TMS320C55X的中央處理單元（CPU）內部結構由四部分組成（如圖1）。它們分別是：指令緩沖單元，程序流程單元，地址數據流程單元，數據處理單元。下面對各個(gè)單元進(jìn)行簡(jiǎn)要地介紹。

3.1 TMS320C55X的總線(xiàn)結構

TMS320C55X采用增強型哈佛結構，程序存儲器和數據存儲器具有各自的總線(xiàn)結構，在CPU內部共有12組總線(xiàn)。下面對這12組總線(xiàn)分別進(jìn)行介紹：

●數據讀數據總線(xiàn)：

該總線(xiàn)共3組，分別是BB、CB和DB，每組均為16位。數據讀數據總線(xiàn)的功能是將16位的數據從數據空間或I/O空間送入CPU的功能單元（如MAC單元）。其中，BB總線(xiàn)只能把數據送入數據處理單元（D單元），它的主要功能是聯(lián)結存儲器和數據處理單元中的兩個(gè)乘積并累加單元（MAC）。TMS320C55X指令集中有一些專(zhuān)門(mén)的指令使編程人員能夠使用BB，CB和DB在同一時(shí)刻讀取3個(gè)操作數。CB和DB總線(xiàn)上的數據可以送入程序流程單元（P單元）、數據處理單元（D單元）和地址數據流程單元（A單元）。指令如果同時(shí)讀取兩個(gè)操作數，則CB和DB同時(shí)被使用，而在只讀取一個(gè)操作數時(shí)僅使用DB總線(xiàn)。

●數據讀地址總線(xiàn)：

數據讀地睛總線(xiàn)亦有3組，分別是BAB、CAB和DAB，每組均為24位。這三組數據總線(xiàn)將24位地址送入存儲器接口單元（Memory Interface Unit），由存儲器接口單元先中CPU所需的數據。三組數據讀地址總線(xiàn)上的地址信息是由CPU中的地址數據流程單元（A單元）產(chǎn)生的。BAB總線(xiàn)上的數據為數據讀數據總線(xiàn)中的BB總線(xiàn)送入CPU的數據的地址。CAB總線(xiàn)上的數據數據讀數據總線(xiàn)CB總線(xiàn)送入CPU的數據的地址。而DAB總線(xiàn)上的數據是由數據讀數據總線(xiàn)DB總線(xiàn)或者是由DB和CB總線(xiàn)送入CPU的數據的地址。

●程序讀數據總線(xiàn)：

該總線(xiàn)是一組32位總線(xiàn)，功能是將4字節的程序代碼送入指令緩沖單元（I單元），并在指令緩沖單元中對指令進(jìn)行解碼。

●程序讀地址總線(xiàn)：

程序讀地址總線(xiàn)是一組24位總線(xiàn)。該總線(xiàn)上的數據是由PB總線(xiàn)傳磅到CPU的程序代碼的地址。

●數據寫(xiě)數據總線(xiàn)：

該總線(xiàn)有兩組，分別為EB和FB，每一組總線(xiàn)為16位。數據寫(xiě)數據總線(xiàn)的功能是將CPU內部器件（如MAC單元）的數據寫(xiě)入存儲器空間或I/O空間。

●數據寫(xiě)地址總線(xiàn)：

該總線(xiàn)共兩組，分別是EAB和FAB，每組總線(xiàn)均為24位。數據寫(xiě)地址總線(xiàn)上的數據是由數據寫(xiě)數據總線(xiàn)送入CPU的數據的地址。

可以看出，TMS320C55X不僅程序空間和數據空間是不分開(kāi)的，而且數據的讀和寫(xiě)都有各自分開(kāi)的地址總線(xiàn)，這種并行結構允許CPU在一個(gè)周期內進(jìn)行讀和寫(xiě)，因而提高了CPU的處理速度。

3.2 指令緩沖單元

指令緩沖單元（I單元）的主要功能是將指令流從存儲器中取出并送入CPU。在每一個(gè)CPU周期，指令緩沖單元從32位的程序讀數據總線(xiàn)取出4個(gè)字節的程序代碼，同時(shí)將已經(jīng)接收并存入在指令緩沖隊列前端的最多6個(gè)字節程序代碼送入指令解碼控制器中進(jìn)行解碼（見(jiàn)圖2）。指令解碼控制器將解碼信息送入P單元（程序流程單元）、A單元（地址數據流程單元）和D單元（數據處理單元）。

在每一個(gè)流水線(xiàn)的預取階段，TMS320C55X的CPU從程序存儲器中取出32位的程序代碼并將其存放在指令緩沖隊列中。當CPU準備好對指令進(jìn)行解碼時(shí)，從指令緩沖隊列中取出最多可有6個(gè)字節的代碼送入指令解碼控制器。指令緩沖隊列中最多可以存放64字節的代碼，這可以使CPU保持連續的程序流程，提高處理速度。在執行位于指令緩沖隊列中的重復指令或循環(huán)指令代碼時(shí)，CPU不僅處理速度快，而且功耗低，因為被執行的代碼存放在指令緩沖隊列中時(shí)，CPU執行諸如loop的循環(huán)指令無(wú)需訪(fǎng)問(wèn)存儲器，而訪(fǎng)問(wèn)存儲器是需要消耗時(shí)間和能量的。在流水線(xiàn)的解碼階段，指令解碼器一次從指令緩沖隊列接受最多6個(gè)字節的程序代碼并對其進(jìn)行解碼。指令緩沖單元的操作并不是動(dòng)態(tài)的，也就是說(shuō)：指令緩沖單元中的指令代碼是按其進(jìn)入指令緩沖隊列的順序依次被解碼。其優(yōu)點(diǎn)是程序執行時(shí)間可以預先知道，這對實(shí)時(shí)嵌入式系統的設計是十分重要的。

TMS320C55X的指令組的編碼是可變長(cháng)的，指令長(cháng)度可從1個(gè)字節到6個(gè)字節。與所有指令的編碼長(cháng)度都相同的編碼方式不同，TMS320C55X指令中的一些簡(jiǎn)單指令編碼后的長(cháng)度要小于復雜指令編碼后的長(cháng)度。指令編碼后的長(cháng)度有8位、16位、24位、32位、40位和48位6種。這種編碼方式可以產(chǎn)生高密度的程序代碼，同時(shí)可以充分利用程序存儲空間。

3.3 程序流程單元

程序流程單元（P單元）用于控制指令執行的次序、它內部的程序地址發(fā)生器能產(chǎn)生從程序存儲器中取指令的地址。該單元還包括管理程序流水線(xiàn)的邏輯，4個(gè)狀態(tài)寄存器可以控制和監視CPU的各個(gè)特性。 圖3所示為程序流程單元的框圖。

在程序流程單元中，程序地址發(fā)生器可以產(chǎn)生24位的地址。因為程序流程單元支持字節尋址方式，所以代碼存放在存儲器中無(wú)需進(jìn)行對齊操作。24位的地址總線(xiàn)使TMS320C55X的尋址空間達到16M字節。程序流程單元還控制著(zhù)分支、調用、重復和中斷等。

程序流程單元為提高指令執行效率進(jìn)行了優(yōu)化。舉例來(lái)說(shuō)：其內部的程序地址發(fā)生器完全獨立于CPU中的其它任何部分，這樣，條件分支的條件就能在流水線(xiàn)的早期進(jìn)行測試并計算出分支的目標地址以減小分支延遲；這種并行性也使在流水線(xiàn)中執行數據處理的同時(shí)處理程序控制指令。程序流程單元的另一個(gè)特點(diǎn)是具有一個(gè)分開(kāi)的程序計數器，該程序計數器可以使子程序或中斷服務(wù)程序快速返回。

程序流程單元提供的循環(huán)（loop）功能包括重復執行一個(gè)指令或一組指令。它還在硬件上支持條件重復。程序流程單元的主要優(yōu)點(diǎn)是其內部具有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的邏輯以保護流水線(xiàn)。除了對付控制冒險（control hazards）程序流程單元還對讀后寫(xiě)數據冒險和寫(xiě)后讀數據冒險提供完全的保護。當這些冒險（hazard）出現在TMS320C55X的指令流中時(shí)，流水線(xiàn)保護邏輯會(huì )自動(dòng)加入周期以保持操作順序并對程序進(jìn)行修正。

3.4 地址數據流程單元

地址數據流程單元（A單元）用于產(chǎn)生對數據空間進(jìn)行讀寫(xiě)操作所需的地址。該單元包括所有產(chǎn)生兩組數據寫(xiě)地址總線(xiàn)和三組數據讀地址線(xiàn)上的地址所需的邏輯單元和寄存器。此外，在地址數據流程單元中，還有一個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元（ALU），圖4是地址數據流程的框圖。

在數據計算單元處理復雜操作時(shí)，16位的算術(shù)邏輯單元（ALU）可以并行地進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的運算。它從指令緩沖單元接收立即數，并與數據計算單元的寄存器、存儲器、地址數據流程單元和程序流程單元進(jìn)行雙向通信。在地址數據流程單元，該ALU可以控制4個(gè)通用的臨時(shí)寄存器和任何一個(gè)地址寄存器。4個(gè)通用的寄存器可以提高編譯時(shí)的效率并減少對存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。除了通用的算術(shù)邏輯單元，TMS320C55X的其它3個(gè)地址寄存器算術(shù)邏輯單元以對進(jìn)行間接尋址的9個(gè)寄存器進(jìn)行修改。這3個(gè)地址寄存器算術(shù)邏輯單元產(chǎn)生獨立的地址以作為三組數據讀總線(xiàn)的地址。這種并行結構允許兩個(gè)16位的操作數和一個(gè)16位的系數在一個(gè)CPU周期內同時(shí)讀入數據計算單元。另外，地址數據流程單元還包括一些支持在間接尋址指令中循環(huán)尋址方式的寄存器。

3.5 數據計算單元

數據計算單元（D單元）是TMS320C55X的CPU的重要部分，DSP應用系統的大量數據在這個(gè)單元進(jìn)行處理。圖5是數據計算單元的框圖，從圖中可以看出，三組數據讀數據總線(xiàn)上的數據可用作兩個(gè)AMC器件的輸入右40位的算術(shù)邏輯單元的輸入。MAC器件運算的結構可以存放在4個(gè)40位的累加器中。數據計算單元的這種并行性將減少TMS320C55X在執行信號處理算法時(shí)所需的周期數。TMS320C55X相對TMS320C54X的性能有很大的提高，其中關(guān)鍵的一些是TMS320C55X采用了并行的雙MAC結構，每一個(gè)MAC器件包括一個(gè)乘法器和一個(gè)專(zhuān)門(mén)的加法器，在單周期內，每一個(gè)MAC單元可以執行17×17位的乘法運算和一個(gè)40位的加法運算。MAC單元的輸入是三組數據讀數據總線(xiàn)上的數據，這三組數據一般是兩組數據流和一組常系數數據流。MAC運算結果可以存放在數據計算單元的40位的累加器中。

數據計算單元包括一個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元，這個(gè)算術(shù)邏輯單元是與MAC器件完全分開(kāi)的。它能夠對40位累加器中的數據進(jìn)行算術(shù)或邏輯運算。另外的一種工作方式是同時(shí)對兩組16位數據進(jìn)行算術(shù)運算。該算術(shù)邏輯單元的輸入除了數據計算單元的累加器外，它還從指令緩沖單元接收立即數，并且能夠與存儲器、地址數據流程單元的寄存器以及程序流程單元的寄存器進(jìn)行雙向通信。

數據計算單元中還有一個(gè)功能強大的移位器。移位器可將累加器中40位的數據向左最多移31位或向右移32位。它從指令緩沖單元接收立即數并可與程序流程單元和地址數據流程單元的寄存器進(jìn)行雙向通信。此外，移位器移位后的值可以作為算術(shù)邏輯單元的輸入以便進(jìn)一步處理。

數據計算單元將處理的結果通過(guò)兩組16位的數據寫(xiě)總線(xiàn)寫(xiě)入存儲器中。這兩組總線(xiàn)與地址數據流程單元的地址發(fā)生器結合在一起，使TMS320C55X可以在一個(gè)CPU周期內完成兩個(gè)16位數據寫(xiě)或一個(gè)32位數據寫(xiě)的功能。這種方法可以提高數字信號處理器CPU的數據天吞吐量，因而對實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合是十分必要的。

4 結束語(yǔ)

TMS320C55X具有性能高，功耗低和完善的軟件開(kāi)發(fā)支持等特點(diǎn)，它的內核與TI公司現有的DSP完全兼容，同時(shí)，TI公司還提供集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境eXpress DSP實(shí)時(shí)軟件技術(shù)，該技術(shù)包括所有必要的工上和軟件，支持新推出的TMS320C55X內核，能使用戶(hù)較快地開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品。