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发信人: whynot (精诚所至，金石为开), 信区: Electronics
标  题: 高速实时数字信号处理技术探析(一)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Sep 19 09:10:24 1999), 转信

高速实时DSP 与并行体系结构


  ---- 当前，高速实时数字信号处理（DSP）技术已经取得了

   飞速的发展；目前单片DSP 芯片的速度已经可以达到每

  秒16 亿次定点运算（1600MIPs）。高速实时DSP 芯片的主要特

  点就是采用了各种并行处理技术，包括片内并行和片间

   并行等。其中，主要的并行DSP 芯片包括美国TI 公司的

  TMS320C8x 和TMS320C6x，以及美国AD 公司的ADSP2106x 及AD1406x

  等等。


  ----(1)TMS320C8x：片内并行，MIMD 体系结构


  ---- 在每一片TMS320C80 内部，有1 个浮点RISC 类型DSP，称为主

  处理器（MP）；还有4 个定点DSP，称为并行处理器（PP）。每

  个DSP 配有10K-Bytes 片内存储器（RAM），因此片内RAM 总容量

  为50K-Bytes。主处理器、并行处理器和片内RAM 之间通过交

  叉开关（Crossbar）互连，并通过1 个专用的传输控制器（TC

  ）控制处理器之间及C80 与片外器件之间的互连。在C80 内

   部，还有1 个视频控制器（VC），可用于视频接口、时序的

   控制；因此这种芯片特别适用于视频信号的处理，故称

  MVP 芯片。


  ---- 从并行处理的角度分析，TMS320C8x 是一个紧耦合多指

   令多数据流（MIMD）的单片多处理器系统。这一系统的运

   行速度等效于每秒20 亿次RISC 类型的操作。在这个系统

  中，一个显著的特点是采用交叉开关（Crossbar）代替了传

   统的总线互连。


  ---- 在总线互连的系统中，各个DSP 之间需要申请总线，

  并需要总线仲裁机构分配总线。对于单总线系统，如果

   某一DSP 占用总线，则其它DSP 需等到该DSP 释放总线后才

  可能获得总线的使用权，这就限制了总线传输数据的

  速度。而交叉开关结构则可以在同一时刻将不同的 DSP

   与不同的任一存储器连通，这就大大提高了数据传输

  的速率，使多处理器并行处理中数据传输的瓶颈问题

  得以减轻。
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标  题: 高速实时数字信号处理技术探析(二)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Sep 19 09:11:23 1999), 转信

----(2)TMS320C6x：片内并行，VLIW 体系结构：


  ----TMS320C6x 是90 年代中后期美国TI 公司推出的划时代的

   超级DSP 芯片；这种芯片是定点、浮点兼容的DSP 系列，其

   中首先推出的是定点系列TMS320C62x。


  ----TMS320C62x 片内有8 个并行的处理单元，分为相同的两

  组。DSP 的体系结构采用甚长指令字（VLIW）方式，单指令

  字长为32bits，8 个指令组成一个指令包，总字长为8 ×32bits

  =2 56bits。芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将

   每个256bits 的指令包同时分配到8 个处理单元，并由8 个

  单元同时运行。这种芯片的最高时钟频率可以达到200MHz

  ，这是通过片内的锁相环路（PLL）将50MHz 的输入时钟4 倍

   频获得的，因此这种芯片的指令周期为5ns。当芯片内

  部8 个处理单元同时运行时，其最大处理能力可以达到

  1600MIPs，即16 亿次定点运算/ 秒。( 图6)


  ---- 从并行处理的角度分析，TMS320C62x 的主要特点是采

   用了VLIW 的体系结构。


  ---- 在VLIW 处理机中，多个功能单元是并发工作的；所有

  的功能单元共享使用公用大型寄存器堆。由功能单元

  同时执行的各种操作是由VLIW 的长指令来同步的，它把

   长指令中不同字段的操作码分送给不同的功能单元；

   这种代码压缩是由编译器完成的，编译器可以利用精

   心设计过的启发式方法或运行时统计方法来预测转

  移结果。在TMS320C62x 中，8 个功能单元共享使用32 个32bits

   通用寄存器堆。为保证代码压缩、分配的效率，TI 公司

  还推出了世界上第一个汇编语言级编译器；这个编译

   器的编译效果会大大影响C62x 的运行效率。


  ----VLIW 处理机的另一个特点是指令获取、指令分配、

  指令执行、数据存储等阶段需要进行多级流水，而且

  不同指令执行的流水延迟时间也不相等（图7）；因此

  各种指令的安排要尽量不破坏指令流水的执行，否则

   处理机运行的效率也会大大降低。


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标  题: 高速实时数字信号处理技术探析(三)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Sep 19 09:12:29 1999), 转信

----(3)ADSP2106x：片间并行，多种体系结构


  ----ADSP2106x 是美国AD 公司推出的可并行扩展的超级哈佛

   指令计算机（SHARC）。这种芯片片内有四套独立的总线，

   可完成双向数据存取、指令存取、非指令性I/O，因此与

   一般哈佛结构计算机相比被称为SHARC。


  ---- 这种芯片的主要型号包括ADSP21060、ADSP21061、ADSP21062

   等，其主要特点是在一个ADSP21020 的浮点DSP 核心基础上

   集成了片内大容量双口RAM 和并行处理接口，因此是一

  个可并行扩展的SHARC 结构。


  ----ADSP2106x 的最大特点就是支持多DSP 系统，可以方便地

   构成各种体系结构的多DSP 系统。ADSP2106x 对多DSP 处理的

   支持包括6 个连接口（Link Port）；大容量片内存储器和DMA

   传输；统一分配的片内存储器地址；与宿主机接口；

  分布式总线仲裁逻辑等。其中，ADSP21 06x 的连接口是其

   对多DSP 处理的主要支持手段之一；其6 个连接口可实

  现6 片DSP 并行互连而无需附加器件。


  ---- 因此，采用多片ADSP2106x 可方便地构成多片并行的

  处理系统，包括共享存储器并行处理系统、数据流并

  行处理系统、集束并行处理系统、单指令多数据流（SIMD）

   并行处理系统等等。


  ---- 这里，ADSP2106x 并行处理的典型应用是AD14060，它是

   把4 片ADSP2106x 以集束多处理模式、采用MCM 工艺集成于

   一个芯片模块之中，因此这种芯片模块的处理能力是

   单片ADSP210 6x 的4 倍，即峰值处理能力480MFLOPs、持续处

  理能力320MFLOPs。
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标  题: 高速实时数字信号处理技术探析(四)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Sep 19 09:13:28 1999), 转信

  ---- 高速实时总线技术


  ---- 高速实时信号处理常用总线包括PCI 总线、VME 总线等。

   目前，基于这两种标准总线的DS P 板卡是DSP 板卡的主要

  类型。


  ----(1)PCI 总线分析


  ---- 在传送速率较高的几种总线中，NuBus 是Apple 公司定

  义的总线，仅有TI 和Apple 公司支持和使用。MCA（微通道）

   是IBM 定义的总线，不具有开放性。VESA 与PCI 是开放的局

   部总线，传送速率最高，获得了广泛的支持。VESA 是486

  微机的主流总线，但在Pentium 及以后更高级的微机系统

   中已被淘汰。替代VESA 成为微机系统主流的是PCI 总线。


  ---- 与VESA 相比，PCI 总线具有更好的开放性和性能。

  PCI 2.1 版本主要特性是：独立于处理器；支持多达256

  个PCI 总线；每个PCI 总线支持多达256 个功能器件；

  低功耗；突发模式读写；支持峰值为132MB/s、 264MB/s、

   528MB/s 的读写传输速率；并行总线操作；支持主控

  总线、PCI 总线和扩展总线的并行操作；支持完全总线

   主控；软件透明；隐藏的总线仲裁；管脚数少等等。



  ----PCI 总线接口设计可以采用专用PCI 接口芯片，也可以

   采用EPLD/FPGA 自主设计。


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标  题: 高速实时数字信号处理技术探析(五)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Sep 19 09:14:30 1999), 转信

----(2)VME 总线分析


  ----VME 为英文Versabus Modular Eurocard 的缩写，中译文为Versa

   总线模块欧式卡。VME 总线是一种开放式系统结构，它

  主要是为微型计算机系统制定的，其实是由Motorola 公司

  制定的Versabus（逻辑、电气特性）和欧洲的Eurocard 标准

  （机械特性）构成的。


  ----Versabus 总线是Motorola 公司于1979 年针对其68000 微处理

  器定义的，因此VME 总线接口在电气和逻辑上类似于68000

   微处理器。不过它只作概括性的规定，并不涉及或规

  定任何特定的微处理器。自1981 年10 月Motorola，Mostek

  和Signetics 公布第一版本A 以来，几经修改和完善，

  于1987 年VME 获ANSI（美国国家标准局）/IEEE 的认可，并正

   式宣布其为微处理器标准。


  ----VME 总线的开放性及其优良的机械特性，赢得了广

   泛市场。众多厂商开发出了用于工业控制、远程通讯

   和仪器仪表等领域的成千上万种VME 总线插件产品。

  VME 总线支持多处理器系统，地址总线32 位，数据总

  线32 位（最高64 位）；能处理7 级中断，具有总线仲裁能力

  。V ME 数据传输总线为高速异步并行的，理论上数据传

  输速率可达40Mbytes/s；实际为20Mbytes /s 左右。


  ----VME 规范允许最多可容纳21 块插件。VME 总线插件分

  为：A 型100 ×160mm（单高）；B 型 233 ×160mm（双高）。

  A 型的96 根引脚连接器称P1 连接器，P1 由3 列32 根引脚

   构成。B 型带有一个P1 和P2 连接器，P2 的引脚和外形

  与P1 相同。主要总线分布如下：


  ----(a)P1： 24 位地址线A1 ～A23；16 位数据线D00 ～D15；地址

   修改码AM0 ～AM5；握手、仲裁、中断和电源（＋5、(12v）

   等信号。


  ----(b)P2：地址线A24 ～A31；数据线D16 ～D31 等等。


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----  高速实时系统设计：EDA 软件


  ---- 高速实时系统设计的主要软件是电子设计自动化

  （EDA）软件；对具体的电路实现来说，EDA 软件通常包括

  PCB 设计、EPLD/FPGA 设计、以及ASIC 设计等等。


  ----(1)PCB 设计


  ---- 在PCB 领域，EDA 软件的强大功能主要包括强大的设计

  与编辑功能、丰富的库资源、高效的数字与模拟仿真、

   信号完整性分析、板级互连时序验证等。PCB 行业的主

  要厂商有Caden ce、MentorGraphics、PADs、Viewlogic、Zuken 等等。


  ---- 一般而言，EDA 中的PCB 设计产品主要包括以下内容：


  ----(a) 设计输入工具，主要特点是：具有模拟和混合信

  号设计能力；有丰富的设计功能：符号库、电特性、热

   特性等等；采用Top-Down 设计模式，使电路表述更清晰；

   有自由传送数据功能，可在原理图做功能仿真；可加

   入布图信息，便于PCB 布局。


  ----(b) 模拟、数字仿真工具，主要特点是：可进行原理图

   仿真，显示模拟、数字波形；可根据布线延迟反标后进

  行时序仿真，实现信号系统排错；可进行模拟信号分析

  ，如傅立叶变换、协方差、卷积等等。


  ----(c) 热分析工具，主要特点是：从电路板数据库自动

  生成完整的热模型；热分析被移至电路板设计早期，

  可增强PCB 设计的一次成功性。


  ----(d) 布线工具，主要特点是：有交互式自动布局布线

  工具；支持物理约束的设计方法；可完成从单面PCB 到MCM

   的设计。


  ----(e) 布图工艺，主要特点是：有符合加工工艺的布图

   建议；支持工业界最广泛的底层技术（标准格式）；

  有CAM 输出工具，从光绘、版图到数控机床加工中心，

  可直接生产试验电路板。


  ----(f) 时延分析，主要特点是：有高层次、总线功能时

  延描述；可生成标准时延文件，供电气规则驱动布线。



  ---- 因此可以看出，EDA 中的PCB 工具是一个包括了多功能

   设计输入、模拟数字仿真、热分析、自动布线、自动布

   图、时延分析、电气规则驱动布线等多种强大功能的

  系统软件，是高速实时电路设计的保障条件
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标  题: 高速实时数字信号处理技术探析(七)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Sep 19 09:16:34 1999), 转信

  ---- 采用EDA 的PCB 工具的设计流程是：


  以TopDown 方式建元件库、绘制系统原理图


  建几何封装库及元件与封装映射关系


  准备PCB 版图设计数据，生成网络表


  拓扑规则设置、阻抗计算、规则驱动的布局布线


  信号分析：TLC 传输线分析、XTK 串扰分析


  验证高速器件的板极时延、按电气要求驱动的布线调

  整、基于IBIS 模型的信号完整性分析


  生成Gerber 格式光绘数据文件、送制板厂家加工

  ----(2)EPLD/FPGA/ASIC 设计


  ----EPLD/FPGA/ASIC 设计可以采用单一芯片实现整个数字

  信号处理系统，即“ 片上系统” ；其中EPLD/FPGA 又有可多

   次编程，反复擦写的功能，因此在样机阶段有独到的

  优势。其大致的设计流程是：


  设计输入：原理图、硬件描述语言（VHDL、Verilog 等）、

  状态机、布尔函数等；一般应采用层次化设计


  逻辑综合，产生网表文件XNF 或EDIF


  功能仿真


  逻辑分割及映射


  布局、布线


  延时信息反标、时序仿真


  产生配置文件

  ---- 总之，EDA 的PCB 技术追求的是在系统设计阶段排除

  一切可能导致系统失效的因素，从而保证整个系统设

   计生产调试一次通过成功（First Pass Success）。而其中

  的EPLD/FPGA/ ASIC 设计又有减小系统体积、功耗，在单片

  上集成整个系统的可能，因此是高速实时数字信号处

  理系统设计的重要保证。


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