1.3.1. Сигнальные микропроцессоры компании

Texas Instruments

Сигнальные процессоры компании Texas Instruments [8, 22-26] разделяются на два класса: это процессоры для обработки чисел с фиксированной точкой и процессоры для обработки чисел с плавающей точкой. Первый класс представлен тремя семействами процессоров, базовыми моделями которых являются соответственно TMS320.10/.20/.50. Второй класс включает процессоры TMS320.30/.40, TMS320C80, которые поддерживают операции с плавающей точкой и представляют собой мультипроцессорную систему, выполненную в одном кристалле, а семейство TMS320C6x включает процессоры как с фиксированной, так и с плавающей точкой.

Процессоры старших поколений одного семейства наследуют основные архитектурные особенности и совместимы «снизу вверх» по системе команд (чего нельзя сказать о процессорах, входящих в разные семейства).

М икропроцессоры семейства TMS320Clx. Первый процессор семейства TMS320CIO был выпущен в 1982 г. и благодаря ряду удачных технических решений получил широкую распространенность [8]. Структура типичного представителя семейства - микропроцессора TMS320C15 приведена на рис. 1.12.

В основу микропроцессора положена модифицированная Гарвардская архитектура, отличием которой от традиционной Гарвардской архитектуры является возможность обмена данными между памятью программ и памятью данных, что повышает гибкость устройства.

TMS320CIO является 16-разрядным процессором. Его адресное пространство составляет 4К 16-разрядных слов памяти программ и 144 16-разрядных слов памяти данных. Длительность командного такта процессора составляет 160-200нс.

Арифметические функции в процессоре реализованы аппаратно. Он имеет аппаратный умножитель (MULT), устройство сдвига (SHIFTER), аппаратную поддержку автоинкремента/декремента адресных регистров данных.

С внешними устройствами процессор взаимодействует через восемь 16-разрядных портов ввода/вывода. Предусмотрена возможность обработки внешнего прерывания.

Другие микропроцессоры данного семейства (С14-С17) имеют аналогичную архитектуру и отличаются длительностью командного такта, конфигурацией памяти, наличием (или отсутствием) дополнительных периферийных устройств (например, в С17- кодек данных по /А-закону, преобразователь логарифмической импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) в линейную ИКМ).

Микропроцессоры семейства TMS320C2x имеют аналогичную архитектуру, но обладают повышенной производительностью и более широкими функциональными возможностями [41]. Все процессоры семейства поколения могут использовать по 64К слов памяти программ и данных, имеют по шестнадцать 16-разрядных портов ввода/вывода и последовательный порт.

1.3.2. Сигнальные микропроцессоры компании Motorola

Аппаратура связи и передачи данных, средства гидро- и радиолокации, медицинское оборудование и робототехника, управление двигателями, оружием и станками, автомобильная электроника и авионика, телевидение и измерительная техника, приборы контроля за состоянием объектов и окружающей среды, радиовещание и высококачественное воспроизведение звука, компьютерные технологии - вот далеко не полный перечень технических приложений, где методы и средства цифровой обработки сигналов (ЦОС) обеспечивают принципиально новое качество. Определяющим в упомянутых приложениях является требование обработки сигналов в реальном масштабе времени. Это обстоятельство привело к созданию специального класса приборов, получивших название - цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС) или коротко сигнальные процессоры. Следует сказать, что однокристальные ЭВМ и микроконтроллеры способны решать задачи ЦОС. Более того, многие из них приспособлены для этих целей, обладая необходимыми интерфейсными устройствами. Однако область применения таких процессоров ограничена обработкой сигналов в относительно узком частотном диапазоне с помощью сравнительно простых алгоритмов.

Область применения цифровых сигнальных процессоров фирмы Motorola чрезвычайно обширна [8, 27]. Это обусловлено, с одной стороны, взрывным внедрением методов цифровой обработки сигналов практически во все виды человеческой деятельности в последние годы, а с другой широкой номенклатурой ЦПОС фирмы Motorola, покрывающей все типы ЦПОС (16-разрядных, 24-разрядных, с плавающей точкой).

Сигнальные микропроцессоры фирмы Motorola представлены тремя классами устройств: 24 - разрядные сигнальные процессоры с арифметикой фиксированной точки, включающие семейства DSP5600x и DSP5630x, 16 разрядные сигнальные процессоры с арифметикой фиксированной точки, включающие семейства DSP561xx, DSP5660x и DSP568xx, и DSP96002 - мощный 32 - разрядный сигнальный микропроцессор с арифметикой плавающей точки.

Целесообразность трех классов ЦПОС, отличающихся организацией внутренней арифметики, обусловлена, прежде всего, различными требованиями по точности обработки сигналов и динамическому диапазону. Например, динамический диапазон речевых сигналов в телефонном канале, как правило, не превышает 40 дБ и надежно реализуется 16-ти разрядной арифметикой. Сигналы же высококачественного звуковоспроизведения имеют динамический диапазон более 90 дБ, и его очень сложно обеспечить, используя 16-ти разрядную арифметику. В крайнем случае применяют искусственное удвоение арифметики, что значительно увеличивает объем программы и времени обработки. Арифметика плавающей точки более удобна и проста для программиста. Значительно сокращается время разработки (не приходится бороться с переполнениями, предельными циклами низкого и высокого уровня, характерными для арифметики фиксированной точки). Но стоимость ЦПОС с плавающей точкой довольно высока и их применение оправдано в оборудовании, где используются сложные алгоритмы обработки сигналов большого динамического диапазона, ограничены сроки обработки, а стоимость не столь критична как в потребительской сфере (customer).

Основными характерными особенностями, выделяющими ЦПОС фирмы Motorola, являются:

• Два банка памяти, которые позволяют одновременно пересылать два операнда одинарной длины или один операнд двойной длины.

• Два аккумулятора АЛУ данных увеличенной разрядности позволяют производить итерационные вычисления без возникновения ошибок переполнения.

• Развитая система адресации, включающая аппаратную поддержку циклических буферов и бит реверсивной адресации.

• Аппаратная поддержка вложенных циклов программы.

• Гибкая приоритетная система прерываний.

• Обширная встроенная периферия.

Некоторые приборы ЦПОС фирмы Motorola, равно как и аналогичные приборы других фирм, имеют режимы пониженного энергопотребления, в которых потребление тока в режиме ожидания снижается в десятки тысяч раз, а также низковольтные версии приборов, в которых потребляемая мощность в рабочем режиме снижается в 2-3 раза.

Практически все приборы ЦПОС Motorola содержат средства поддержки внутрисхемной эмуляции, что очень важно для отладки проектируемых систем.

24-разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой. Линия 24-разрядных микропроцессоров компании Motorola включает два семейства: DSP560xx и DSP563xx [8, 23, 24]. Основные принципы, положенные в основу архитектуры сигнальных микропроцессоров Motorola, были разработаны и воплощены в семействе DSP560xx. Дальнейшие работы по совершенствованию сигнальных процессоров проводились по трем направлениям:

• наращивание производительности 24-разрядных процессоров за счет конвейеризации функциональных модулей и повышения тактовой частоты;

• создание дешевых 16-разрядных микропроцессоров с расширенными средствами взаимодействия с периферией;

• разработка высокопроизводительных процессоров, включающих блок вычислений с плавающей точкой.

Далее последовательно будут рассмотрены все три направления на примере наиболее популярных представителей микропроцессорных семейств. Будут указаны также наиболее существенные отличия процессоров в рамках одного семейства.