如何将DSP和MCU两者完美结合

按照传统方式，嵌入式应用中的数字信号处理器（ＤＳＰ）相对于主微控制器（ＭＣＵ）起从属作用。在这些应用中，ＭＣＵ用作系统控制器，而大量的数据处理留给ＤＳＰ。例如，在音频或视频处理应用中有可能需要人机界面管理，或者是整个系统的控制。

设计方案选择

为完成这些任务，有几种系统设计方案选择。

第一种方案将ＤＳＰ和ＭＣＵ芯片组合在印制电路板（ＰＣＢ）上。这种方案成本高并且占用面积大，但是可适当地调整每个芯片的尺寸以最大限度地满足系统需要。

第二种方案是一种将ＤＳＰ和ＭＣＵ组合在单个封装内的多芯片模块（ＭＣＭ）。这种方案的局限性是，设计工程师必须按“５０／５０”的时间比例分配给控制和ＤＳＰ功能；例如，一旦ＤＳＰ超出时间，ＭＣＵ将不能完成计算任务。像第一种方案选择一样，当ＤＳＰ和ＭＣＵ内核独立存在时，需要两套开发工具。

第三种方案是将ＤＳＰ功能合并到一个ＭＣＵ中。这种方案只适合于直接的信号处理应用。ＭＣＵ的时钟频率和计算体系结构根本上不太适合大量的数字处理。有些ＭＣＵ试图通过增加一个乘法和累加器（ＭＡＣ）（ＤＳＰ的一个特点）来补偿上述不足。但是这种方案仍然缺乏高级应用所需要的基本的“由下至上　”的体系结构设计　。

最近，已经出现第四种方案它是将ＭＣＵ的功能合并到一个ＤＳＰ中。这类方案的一个例子是美国模拟器件公司（Ａｎｏｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｉｎｃ．，简称ＡＤＩ）的Ｂｌａｃｋｆｉｎ？　处理器系列。这些新型处理器具有统一的经过优化的体系结构，不仅适于数据计算，而且也适于有关的控制任务。通过平衡执行控制任务与复杂计算的要求，这种方案可以根据系统实时处理的需要，完成１００％的控制或者１００％的计算任务。完成所有这一切任务不需要在ＤＳＰ模式和ＭＣＵ模式之间的模式转换。

（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｉｃｓ）

Ｓｙｓｔｅｍ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｂｌｏｃｋｓ＝系统控制单元

Ｅｍｕｌａｔｏｒ　＆　Ｔｅｓｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ＝仿真器和测试控制

Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ＝稳压电源

Ｅｖｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ＝事件控制器

Ｃｌｏｃｋ（ＰＬＬ）＝时钟

锁相环（ＰＬＬ）

Ｍｅｍｏｒｙ　ＤＭＡ＝存储器

直接存储器存取（ＤＭＡ）

Ｗａｔｃｈｄｏｇ　Ｔｉｍｅｒ＝监视定时器

Ｒｅａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｃｌｏｃｋ＝实时时钟

Ｃｏｒｅ＝内核

４８　ＫＢ　Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＳＲＡＭ／Ｃａｃｈｅ＝４８　ＫＢ指令

静态存储器（ＳＲＡＭ）

和高速缓存

３２　ＫＢ　Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＲＯＭ＝３２　ＫＢ指令

只读存储器（ＲＯＭ）

３２　ＫＢ　Ｄａｔａ　ＳＲＡＭ／Ｃａｃｈｅ＝３２　ＫＢ数据

静态存储器（ＳＲＡＭ）

和高速缓存

４　ＫＢ　Ｓｃｒａｔｃｈｐａｄ　ＲＡＭ＝４　ＫＢ

高速暂存

随机存储器（ＲＡＭ）

Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｕｎｉｔ＝系统接口单元

Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ＝外部存储器接口

Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｉ／Ｏ＝高速Ｉ／Ｏ端口

Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ／ＧＰＩＯ＝并行外围接口（ＰＰＩ）

和通用输入输出接口（ＧＰＩＯ）

ＵＡＲＴ＝通用异步收发器

ＳＰＩ＝串行外围接口（ＳＰＩ）

Ｈｉ－ｓｐｅｅｄ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｐｏｒｔｓ＝高速串行端口

ＰＣＩ／ＵＳＢ＝可编程通信接口（ＰＣＩ）和通用串行总线（ＵＳＢ）

Ｔｉｍｅｒｓ　０／１／２＝定时器０，１，２

Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　Ｂｌｏｃｋｓ＝外围设备单元

一类新型的ＤＳＰ也提供一套ＲＩＳＣ指令系统集、存储器管理单元、事件控制器和多种外设以便在一颗单芯片内提供大量计算和高效系统控制功能。

ＤＳＰ与ＭＣＵ比较

首先让我们回顾一下ＤＳＰ和ＭＣＵ的典型功能。ＤＳＰ主要是在一单个时钟周期内尽可能完成多个ＭＡＣ（乘法和累加）操作。为了这一点，指令的操作代码通常是可变的超长的指令字（ＶＬＩＷ）。ＤＳＰ也适于工作在紧密、高效的环路中。另外，为了达到性能指标通常需要编写优化的汇编代码。由于ＤＳＰ的算法程序一般装在小容量、短等待时间的内置存储器中，所以代码密度通常不是大问题。

像ＤＳＰ主要用于完成计算一样，ＭＣＵ主要用于完成控制功能。同样地，典型的ＭＣＵ应用包括许多条件操作，在程序流程中频繁地跳转。通常使用Ｃ或者Ｃ＋＋语言编写程序。代码密度极为重要，并且根据编译代码的长度来评估算法。存储器系统是基于高速缓存从而允许该系统设计工程师用较长等待时间从较大的存储器中调用较大程序。利用基于高速缓存系统，程序员不需要考虑如何以及何时将指令输入到内核去执行。

统一的ＤＳＰ和ＭＣＵ兼备两者的优点。它的指令集由１６　ｂｉｔ，３２　ｂｉｔ和６４　ｂｉｔ操作码组成，但是由于最常用的指令采用１６　ｂｉｔ编码，所以编译代码密度大小与那些流行的ＭＣＵ相同。另外，它包括一个存储器保护功能以及指令高速缓存和数据高速缓存，作为整个存储器管理单元（ＭＭＵ）的一部分。此外，容易提供一套完整的Ｃ／Ｃ＋＋开发工具，提供可选汇编语言或者全部汇编语言适合算法优化的编程。

支持ＲＴＯＳ

系统控制的一个重要方面是任务管理。实时操作系统（ＲＴＯＳ）逐渐地用于控制复杂系统中多种正在进行的和同时发生的任务。通过提供对任务调度与管理的支持，ＲＴＯＳ简化了编程模式，这通常是由ＭＣＵ控制的，由于普通的ＤＳＰ不具备支持ＲＴＯＳ需要的所有功能以便有效地控制。

然而，统一的ＤＳＰ和ＭＣＵ促进了ＲＴＯＳ几个重要功能的发展。第一个是限制访问功能以保护或者保留存储单元。第二个是配备单独的堆栈和帧指针以减少操作系统（ＯＳ）请求以及中断和异常处理所需的等待时间。第三个是具备单独的用户操作模式和管理员操作模式。过去，ＤＳＰ按照等效于管理员操作模式工作，从而允许在任何时间完全访问所有的系统资源。然而ＭＣＵ提供类似的在用户操作模式，它允许在ＯＳ的顶层运行应用软件。现在，在一个统一的体系结构下提供两种操作模式，因为增强的ＤＳＰ系统能够限制用户应用软件仅通过ＯＳ访问系统资源。

外围设备

ＭＣＵ的一个优点是包含使用灵活和种类齐全的外围设备。作为通用的嵌入式控制器，它们通常具备可编程输入输出（Ｉ／Ｏ）标志、定时器、串行接口和日益增加越来越复杂的标准接口。ＭＣＵ外围设备的主要作用是嵌入式控制，而不是大量计算。例如，一个实时时钟信号可以唤醒一只温度传感器用以采集环境温度并且将一个延迟的信息通过Ｉ／Ｏ引脚反馈到ＭＣＵ。然后，一个定时器的脉冲宽度调制（ＰＷＭ）输出相应地能够增加或者减小风扇电机的转速。

像ＭＣＵ一样，统一的ＤＳＰ和ＭＣＵ具备一套系统控制外围设备（例如，实时时钟、多功能定时器、监视定时器、双向标志位引脚）。然而，它还包括一些高速接口（例如，ＰＣＩ、异步或者同步存储器控制器、ＵＳＢ、并行视频接口）以便通过这些接口，与许多ＤＭＡ通道配合快速搬移数据，从而有助于有效利用高速ＤＳＰ内核的信号处理能力。

电源管理

功耗控制一直是嵌入式控制器的一项功能。但是，当系统要求ＤＳＰ具有优良的性能时，对其电源的选择就不太理想。如果将独立的ＭＣＵ和ＤＳＰ芯片应用于电源敏感的场合，通常必须为每个芯片提供一个单独的开关稳压器，因为这两个器件的内核电压经常不一致。这会导致降低电源变换效率和增加设计器件的引脚数目，最终增加布线的复杂程度和解决方案的成本。此外，当ＭＣＵ和ＤＳＰ的内核集成到一个芯片上时，电源解决方案本质上不是最佳的，因为它必须满足２个完全独立并具有不同负载特性处理器的需求。

将这种情况与统一的ＤＳＰ和ＭＣＵ相比较，它包含一个集成动态电源管理（ＤＰＭ）控制器。由于它是只有一个处理器的体系结构，所以该控制器能够完全适合给定应用的需求。它提供几种固有的电源模式以支持多种系统性能等级。另外，对于未使用的时钟和Ｌ２存储器可选择性地禁止。该ＰＬＬ的频率可在一个宽范围（通常１倍～３１倍）进行调节，以满足在ＤＳＰ和ＭＣＵ内部多层次的处理需求。最后能够调节电压（外部或者通过一个集成的开关控制器）以提供指数式的节省功耗。

由于系统成本、开发容易、器件采购和升级能力的原因，设计工程师正趋向采用一种单芯片解决方案用于嵌入式信号处理解决方案。这种单芯片解决方案必须能够同样好地完成ＤＳＰ和ＭＣＵ的功能，所以有必要提出一种统一的处理器体系结构。面对ＭＣＵ的挑战，比较简单的解决方案是将ＭＣＵ的功能合并到一个高性能的ＤＳＰ内核，而不是与此相反。当今一个统一的ＤＳＰ和ＭＣＵ平台（由Ｂｌａｃｋｆｉｎ？　ＤＳＰ系列产品说明）已经投放市场，它将在ＭＣＵ和ＤＳＰ目前应用领域提供许多应用。