DSP和MCU的融合
加入技術(shù)交流群
掃碼加入
和技術(shù)大咖面對面交流
海量資料庫查詢(xún)
在半導體器件制造商力圖使其產(chǎn)品與眾不同時(shí)，他們常常引用“現實(shí)世界”。他們提醒數字系統設計師：現實(shí)世界是模擬的，他們的設計的四周始終是線(xiàn)性電路，以便與環(huán)境銜接。許多處理器系統設計師不太可能會(huì )忘記這一點(diǎn)，但它卻是隨手拿去推銷(xiāo)產(chǎn)品的借口。同樣地，競爭的產(chǎn)品系列都幾乎一成不變地區分常規體系結構和數字信號處理器體系結構。
與區分模擬和數字一樣，設計師常常發(fā)現其產(chǎn)品分辨不出DSP和微控制器（mC）的不同屬性，而兩者的混合則是一種更好的解決方案。然而，這兩個(gè)陣營(yíng)提供的最優(yōu)資源平衡在兩個(gè)系統之間通常有很大的差別。8位mC可能適合于執行基本的開(kāi)關(guān)操作、定時(shí)和控制功能的消費類(lèi)產(chǎn)品，但是，為了增加連通性、語(yǔ)音識別或者其它一些涉及信號處理的操作，可能就需要進(jìn)行升級。在常規的mC上進(jìn)行信號處理功能編碼通常是可能的，但是需要相當的技巧，還可能需要使用功能更加強大、價(jià)格也更貴的器件。額外功能所需的處理能力也可能大大超過(guò)基本產(chǎn)品所需的資源。雖然一塊很小的DSP芯片可以執行信號處理，但是增加一塊獨立的DSP不可避免地會(huì )增加產(chǎn)品的制造成本，而且對最終銷(xiāo)售價(jià)格的影響也比增加功能還大。相反地，在信號處理量很大的系統中，一塊適中的DSP可能非常適合于處理信號通道，但卻可能提出一個(gè)真正的編程難題，即要在同一器件中同時(shí)處理鍵盤(pán)和接口功能。
二合一水到渠成
由于認識到這種狀況，半導體制造商一段時(shí)間以來(lái)提供了兼有常規器件和DSP器件兩者功能的混合處理器。最近，半導體制造商們推出具有各種等級復雜性和性能的新產(chǎn)品，大大擴展了這種混合處理器的范圍和通用性。在這一產(chǎn)品領(lǐng)域內，多內核體系結構和統一內核體系結構支配著(zhù)兩種根本不同的芯片設計方法。從本質(zhì)上說(shuō)，器件設計師要么把一個(gè)控制處理器和一個(gè)DSP安排在一塊芯片上，要么擴展控制處理器的指令集來(lái)容納DSP指令（反之亦然）。只要有足夠的原始性能，機靈的編程人員無(wú)法將信號處理功能編碼到常規內核中的情況極少見(jiàn)，所以，一塊芯片具有足以成為混合處理器的DSP能力的界定點(diǎn)是令人懷疑的。增加一個(gè)硬件乘法/累加（MAC）模塊及其指令集，就很好地說(shuō)明了一個(gè)混合功能系統所需的能力。
Microchip Technology公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Microchip公司）的PIC是8/16位微控制器市場(chǎng)上人人熟悉的產(chǎn)品，目前在其dsPIC30系列內具有DSP能力（圖1）。該系列內最新增加的產(chǎn)品是30F5011和30F5013兩種器件，均具有30 MIPS的性能。這兩種器件都是基于閃存的芯片，具有66kB內存，可以在工業(yè)溫度范圍和擴展的溫度范圍內工作。
Microchip公司的方法是將其16位改進(jìn)型Harvard RISC內核與可提供緊耦合指令流的DSP指令相結合。該公司提出的“增強型標準工具鏈” 開(kāi)發(fā)途徑成為許多供應商所采取方法的典范?；镜钠脚_仍然與標準處理器系列的相同，就Microchip公司的產(chǎn)品而言，是由其MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和成套工具組成的。增加DSP功能是通過(guò)擴展編譯器等領(lǐng)域來(lái)實(shí)現的。Microchip公司歐洲業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Steve Diaper承認，為了利用附加功能，設計師將不得不學(xué)習DSP的基本知識，不過(guò)他認為，開(kāi)始有效工作所需的額外知識卻是極其少的。Diaper認為混合型產(chǎn)品的應用可以分為不同的兩類(lèi)。第一類(lèi)側重于DSP功能對完成主要任務(wù)極為重要的特殊應用領(lǐng)域，；第二類(lèi)是為8位和16位mC用戶(hù)提供向上發(fā)展途徑的通用應用領(lǐng)域。第一類(lèi)的例子包括電動(dòng)機控制等應用，其中專(zhuān)用產(chǎn)品還包括可編程PWM發(fā)生器和正交編碼器接口等硬件模塊。通用應用包括語(yǔ)音或指紋識別，以及軟件調制解調器和TCP/IP通信等的連通性。Microchip通過(guò)其兩款演示板說(shuō)明了此類(lèi)應用產(chǎn)生的增量負載所造成的影響。一塊演示板表明運行簡(jiǎn)化TCP/IP協(xié)議棧的常規PIC18mC幾乎沒(méi)有為運行其它控制功能留出余地。相反地，在基于dsPIC30的電路板上運行完整的TCP/IP協(xié)議棧卻只對混合處理器的控制帶寬產(chǎn)生非常有限的影響。
DSP能力還可實(shí)現常規處理器難以處理的一系列處理選項，如FFT和數字濾波器等。Diaper指出，大多數用戶(hù)都利用各種庫來(lái)實(shí)現DSP功能?；旌咸幚砥鞯脑O計套件通常都帶有預先編碼的例程，用以完成編程人員可根據高級代碼調用的普通功能。與任何DSP一樣，只要編程人員對程序內部循環(huán)和周邊的代碼進(jìn)行優(yōu)化，編程效率就會(huì )提高；與大多數控制代碼不同，DSP例程一般都是高度可迭代的。
從DSP開(kāi)始
芯片設計師先設計DSP，再增加控制功能，也可以設計出混合mC。Texas Instruments公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TI公司）用這種方法設計出其TMS320系列中的C2000系列。C2000系列采用16位體系結構，具有20MIPS ~ 40MIPS的DSP性能，或者采用32位定點(diǎn)芯片，具有高達150 MIPS的DSP性能。TI公司最近又增加了R2812和R2811兩種具有高達20k字的片上SRAM的混合mC。這兩種mC可通過(guò)一個(gè)SPI接口獲得無(wú)限制的外部存儲器。150 MIPS的mC具有32位MAC的能力，并具有多種外設，其中包括一個(gè)適合于高分辨率測量和計量等系統的12位ADC。軟件支持包括一個(gè)以32位浮點(diǎn)格式編入的數學(xué)庫和一個(gè)可以在MathWorks公司的Matlab下運行的濾波軟件包。
Freescale公司利用同樣的方法，從其56000體系結構衍生出56800系列混合處理器。Freescale公司在有足夠能力處理高級運動(dòng)控制等算法的DSP中增加控制功能，使這些混合處理器達到相當高的水平。再則，這也是一種適合于高效C語(yǔ)言編程的統一體系結構，其指令集兼有DSP和控制器兩種功能。該產(chǎn)品系列中最新增加的產(chǎn)品之一就是56F8365，這種60 MIPS的器件具有512kB閃存、一個(gè)單周期16316乘法器和四個(gè)36位累加器。因為這種器件擬應用于運動(dòng)控制，所以其外設再次包括PWM輸出和編碼器輸入，并且具有進(jìn)一步促進(jìn)其在汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境中使用的CAN接口。同一系列中的其它器件具有更適合安全和醫療等系統的外設。開(kāi)發(fā)工作是通過(guò)Metrowerks公司的CodeWarrior工具鏈進(jìn)行的，而編程指南則取自專(zhuān)有的Processor Expert軟件。
評論