ADSP-TS201S芯片的功能和應(yīng)用
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摘要：介紹了ADI公司的新一代高性能TigerSHARC處理器ADSP-TS201S的結(jié)構(gòu)和性能，并結(jié)合與TS101S的對比說明了TS201S在性能上的改進；給出了基于TS201S進行系統(tǒng)設(shè)計的基本方法及設(shè)計過程中應(yīng)該特別注意的問題；最后給出了多片系統(tǒng)的典型設(shè)計電路圖，同時說明了TS201S外圍電路的配置和多片級聯(lián)的方法。
關(guān)鍵詞：ADSP-TS201S；系統(tǒng)設(shè)計；多片系統(tǒng)
美國模擬器件公司(ＡＤＩ)在繼ＡＤＳＰ－ＴＳ１０１之后，于２００３年下半年又推出了新一代高性能Ｔｉｇｅｒ-ＳＨＡＲＣ處理器ＡＤＳＰ－ＴＳ２０１／２０２／２０３。此系列處理器片內(nèi)集成了更大容量的存儲器，性價比很高。它們兼有ＡＳＩＣ和ＦＰＧＡ的信號處理性能和指令集處理器的高度可編程性與靈活性。適用于高性能、大存儲量的信號處理和圖像應(yīng)用，例如雷達與聲納應(yīng)用、無線基站、圖像處理系統(tǒng)及工業(yè)儀器儀表等領(lǐng)域?？紤]到ＡＤＳＰ－ＴＳ２０２／２０３與２０１有許多相似之處，本文僅以ＴＳ２０１Ｓ為例進行介紹。
１ ＴＳ２０１Ｓ的結(jié)構(gòu)和功能
ＴＳ２０１Ｓ在繼承了ＴＳ１０１Ｓ基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，又作了進一步改進。其改進后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示，ＴＳ２０１Ｓ內(nèi)部可分成ＤＳＰ核和Ｉ／Ｏ接口兩部分，這兩部分通過四條總線來傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信號。
圖1
ＤＳＰ核包括程序控制器、數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器和雙運算模塊。程序控制器提供完全可中斷的編程模式，支持匯編語言和Ｃ／Ｃ＋＋語言編程和１０指令周期流水；ＩＡＢ可以預(yù)存５條指令；ＢＴＢ減小了分支跳轉(zhuǎn)延遲。數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器包含兩個ＩＡＬＵ，支持立即尋址和間接尋址；支持位反序和環(huán)形緩沖尋址，便于數(shù)字信號處理的一些特殊運算。雙運算模塊能夠獨立或者同時工作來實現(xiàn)ＳＩＭＤ引擎，每個周期每個運算模塊可以執(zhí)行２條運算指令。
Ｉ／Ｏ接口包括內(nèi)部存儲器、外部設(shè)備接口、ＤＭＡ控制器、鏈路口和ＪＴＡＧ口。內(nèi)部存儲器空間為２４Ｍ位ＤＲＡＭ，盡管ＴＳ２０１Ｓ和ＴＳ１０１Ｓ都采用０．１３微米ＣＭＯＳ工藝制造，但是由于ＴＳ２０１Ｓ的存儲器容量是ＴＳ１０１Ｓ的四倍，因此ＴＳ２０１Ｓ的性能比ＴＳ１０１Ｓ大為提高。其外部設(shè)備接口包括主機接口、多處理器接口、ＳＤＲＡＭ接口和ＥＰＲＯＭ接口。１４個ＤＭＡ通道無需處理器的干預(yù)即可完成設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。完全雙向的鏈路口采用低壓差分信號?ＬＶＤＳ?鏈路口技術(shù)，從而達到４Ｇｂｐｓ的數(shù)據(jù)吞吐量。ＩＥＥＥ１１４９．１兼容的ＪＴＡＧ接口用于片上仿真。
ＴＳ２０１Ｓ支持３２位和４０位的浮點運算以及８、１６、３２和６４位的定點運算。每周期執(zhí)行多達四條指令，在６００ ＭＨｚ的時鐘速率下，可以達到每秒４８ 億次乘加運算?ＧＭＡＣＳ?和每秒３６ 億次浮點運算(ＧＦＬＯＰＳ)的速度。
２ ＴＳ２０１Ｓ與ＴＳ１０１Ｓ的結(jié)構(gòu)性能比較
與ＴＳ１０１Ｓ相比，ＴＳ２０１Ｓ性能的增強主要表現(xiàn)在運行速度、存儲器結(jié)構(gòu)和鏈路口結(jié)構(gòu)上。表１所列為ＴＳ２０１Ｓ和ＴＳ１０１Ｓ的主要性能異同點，以供應(yīng)用ＴＳ１０１Ｓ芯片的系統(tǒng)在進行升級時參考。
表1 TS201S與TS101S的結(jié)構(gòu)性能對照表
| 序號 | 結(jié)構(gòu)性能 | ADSP-TS201S | ADSP-TS101S | 異同 |
| 1 | 速度 | 600MHz時鐘頻率，1.67ns的指令周期 | 300MHz時鐘頻率，3.3ns的指令周期 | 不同 |
| 2 | 運算塊 | 雙運算模塊，分別標識為x和y，每個模塊包含四個運算單元：一個ALU、一個乘法器、一個3232的寄存器組和一個128位CLU | 雙運算模塊，分別識別為x和y，每個模塊包含三個運算單元：一個ALU、一個乘法器、一個3232的寄存器組 | 稍有不同 |
| 3 | 整數(shù)ALU | 雙整數(shù)ALU，分別標識為J和K，提供數(shù)據(jù)尋址和指針操作功能 | 雙整數(shù)ALU，分別標識為J和K，提供數(shù)據(jù)尋址和指針操作功能 | 相同 |
| 4 | I/O口 | 14通道DMA控制器，4個鏈路口，SDRAM控制器，4個可編程標志引腳，2個定時器和定時器計滿引腳 | 14通道DMA控制器，4個鏈路口，SDRAM控制器，4個可編程標志引腳，2個定時器和定時器計滿引腳 | 相同 |
| 5 | 總線 | 4條相互獨立的128位數(shù)據(jù)總線，每條連接六個4M位內(nèi)部寄存器塊中的一個 | 3條相互獨立的128位數(shù)據(jù)總線，每條連接三個2M位內(nèi)部存儲器塊中的一個 | 不同 |
| 6 | 寄存器 | 片內(nèi)24位DRAM，分成六個4M位的塊M0、M2、M4、M6、M8、M10 | 片內(nèi)6M位SRAM，分成三個2M位的塊M0、M1、M2 | 不同 |
| 7 | 鏈接口 | 四組完全雙向的鏈路口，每組含4位獨立的輸入和4位獨立的輸出，并采用LVDS技術(shù)，鏈路吞吐量達4G字節(jié) | 四個雙向復(fù)用的鏈路口L0-L3，每個鏈路口提供8位雙向I/O，鏈路吞吐量達1G字節(jié) | 不同 |
| 8 | 復(fù)位 | 三級復(fù)位，即上電復(fù)位、正常復(fù)位和DSP核復(fù)位 | 兩組復(fù)位，即上電復(fù)位和正常復(fù)位 | 不同 |
| 9 | 引導(dǎo) | 四種引導(dǎo)方式，即EPROM引導(dǎo)、主機引導(dǎo)、鏈路引導(dǎo)和無引導(dǎo) | 四種引腳方式，即EPROM引導(dǎo)、主機引導(dǎo)、鏈路引導(dǎo)和無引導(dǎo) | 相同 |
| 10 | 時鐘 | 提供系統(tǒng)時鐘引腳 | 提供系統(tǒng)時鐘和局部時鐘引腳 | 不同 |
| 11 | 電源 | 為內(nèi)部邏輯、模擬電路、I/O緩沖和DRAM分別供電 | 為內(nèi)部邏輯、模擬電路、I/O緩沖分別供電 | 不同 |
表2 電源工作參數(shù)典型值
| 參 數(shù) | 參數(shù)標識 | 典型值 | 單 位 |
| 內(nèi)核邏輯電壓 | VDD | 1.2 | V |
| 模擬電壓 | VDD-A | 1.2 | V |
| 外部I/O電壓 | VDD-IO | 2.5 | V |
| DRAM電壓 | VDD-DRAM | 1.5 | V |
| 內(nèi)核邏輯電流 | IDD | 2.39 | A |
| 模擬電流 | IDD-A | 20～50 | mA |
| 外部I/O電流 | IDD-IO | 0.16 | A |
| DRAM電流 | IDD-DRAM | 1.40 | A |
３ 系統(tǒng)設(shè)計
在ＴＳ２０１Ｓ進行信號處理系統(tǒng)設(shè)計時，有許多需要特別注意的問題，其中包括電源供電、時鐘系統(tǒng)、鏈路口等。下面就這幾個方面分別予以介紹。
３．１ 電源供電系統(tǒng)
ＴＳ２０１Ｓ處理器有四種電源：ＶＤＤ?內(nèi)核邏輯?、ＶＤＤ＿Ａ?模擬 ＰＬＬ?、ＶＤＤ＿ＩＯ?外部 Ｉ／Ｏ?和可選的ＶＤＤ＿ＤＲＡＭ?ＤＲＡＭ?。表２列出了在６００ＭＨｚ時鐘頻率下的主要電源和電流的典型值，這是在設(shè)計過程中選擇電壓調(diào)節(jié)器時必須考慮的問題，即所選擇的電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓必須在要求的電壓范圍內(nèi)，輸出電流必須大于最大負載的電流值。
每個處理器要單獨供電。且要有旁路電容去耦，在ＰＣＢ設(shè)計時，旁路電容的擺放原則上應(yīng)盡量靠近電源引腳。
特別注意系統(tǒng)中每一個處理器的ＶＤＤ＿ＤＲＡＭ電源，最少要在其引腳附近放置六個１ｎＦ的高頻旁路電容、兩個１０ｎＦ電容和四個０．１μＦ電容。
在ＰＣＢ設(shè)計中，不同電源的去耦電容的排放順序是：(１) ＶＤＤ＿Ａ到ＶＳＳ旁路電容；(２) ＶＤＤ到ＶＳＳ旁路電容；(３) ＶＤＤ＿ＤＲＡＭ到ＶＳＳ旁路電容；(４) ＶＤＤ＿ＩＯ到ＶＳＳ旁路電容。
３．２ 時鐘系統(tǒng)
給時鐘系統(tǒng)供電的引腳是ＳＣＬＫ１＿ＶＲＥＦ和ＳＣＬＫ２＿ＶＲＥＦ，這兩個ＳＣＬＫ＿ＶＲＥＦ引腳必須連接到同一個參考電壓上。ＳＣＬＫ＿ＶＲＥＦ的電壓應(yīng)當設(shè)置為ＳＣＬＫ輸入電壓的一半。ＶＲＥＦ和ＳＣＬＫ＿ＶＲＥＦ可以共用一個參考電壓，但去耦電容應(yīng)放置在ＳＣＬＫ＿ＶＲＥＦ附近。
ＳＣＬＫ１、ＳＣＬＫ２是時鐘源輸入引腳，引腳附近應(yīng)連接一個簡單的ＲＣ延遲電路，用于調(diào)節(jié)ＳＣＬＫ１和ＳＣＬＫ２之間的時序偏差。引腳ＳＣＬＫＲＡＴ２－０用于設(shè)置ＰＬＬ的時鐘倍率Ｎ。可由ＳＣＬＫ倍頻產(chǎn)生核時鐘，即核時鐘ＣＣＬＫ＝ＮＳＣＬＫ。對ＳＣＬＫ進行奇數(shù)次倍頻可使占空系數(shù)縮短為５５／４５，因此建議最好使用奇數(shù)次倍頻。
３．３ 鏈路口
ＴＳ２０１Ｓ有四個全雙工鏈路口，每個鏈路口均可獨立地進行接收和發(fā)送操作。同時通過ＴＳ２０１Ｓ芯片的ＴＭＲ０Ｅ引腳可將鏈路口的數(shù)據(jù)寬度設(shè)置為１位(默認)或４位。如果需要改變該默認值，只需在ＴＭＲ０Ｅ和ＶＤＤ＿ＩＯ之間加一個５００Ω的上拉電阻即可。
在進行ＰＣＢ設(shè)計時，鏈路口間的連接除了要遵循最基本的ＰＣＢ設(shè)計原則外，還有更嚴格的要求：
●每一個連接鏈路的ＬＶＤＳ接收對都需要接１００Ω(誤差１％)的電阻，且要靠近接收引腳放置。
●鏈路口之間的連接應(yīng)該是點對點的。
●對高速４－ｂｉｔ操作，鏈路口時鐘信號應(yīng)放在四組ＬＶＤＳ數(shù)據(jù)信號之間。
●鏈路時鐘線應(yīng)放置在鏈路數(shù)據(jù)線之間，且線之間距離盡量最大，線的長度盡量短，過孔盡量少，ＬＶＤＳ對之間不要有信號或過孔。
●最好把ＬＶＤＳ信號單獨置于一層，且放于ＰＣＢ的底層或頂層，電源層或地層位于ＬＶＤＳ下方，也可以把ＬＶＤＳ信號放在電源層和／或地層的夾層中，總之與ＬＶＤＳ信號層相鄰的上下層不能是信號層。
３．４ 其它引腳考慮
在單處理器系統(tǒng)中，處理器的ＩＤ２－０必須設(shè)置為“０００”。在多處理器系統(tǒng)中，處理器的ＩＤ必須從“０００”到“１１１”進行編號；一個處理器簇可以有八片ＤＳＰ。
此外，ＴＳ２０１Ｓ還帶有一些可以不連接（ＮＣ）的引腳，設(shè)計時，一定不要將這些引腳連接到電源或地端，而應(yīng)使之保持懸空狀態(tài)。其余有定義的引腳可在應(yīng)用時參照數(shù)據(jù)手冊進行連接。
圖3
４ 多片系統(tǒng)設(shè)計
在大型的信號處理系統(tǒng)中，單芯片往往不能滿足速度和性能的需要，因而需要多處理器系統(tǒng)。ＴＳ２０１Ｓ處理器系列可提供兩種類型的接口，即簇總線接口和鏈路接口，可支持多達８個ＴＳ２０１Ｓ處理器，而無需外部邏輯電路。簇總線接口的主或者外部存儲器能夠共享公共總線和全局存儲器映射，從而形成一種非常簡單的多處理器編程模式。鏈路口可提供ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ 處理器之間或處理器與其它器件之間的點對點進行完全雙向通信。本例中采用的是鏈路接口方式，它的主要優(yōu)點是電路連接簡單，無需總線仲裁。
圖２是某雷達信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)輸入為中頻模擬信號，輸出為視頻模擬信號。整個系統(tǒng)主要包括Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、ＦＰＧＡ、ＥＰＲＯＭ、２片ＴＳ２０１Ｓ、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器等集成芯片。圖３中給出了ＴＳ２０１Ｓ信號引腳的參考配置，由于篇幅所限，圖中，對其它集成器件只作了示意性的連接，ＴＳ２０１Ｓ電源在前面已作了介紹，這里略去。ＳＣＬＫＲＡＴ２－０＝“０１１”，即８０ＭＨｚ晶振７倍頻后為５６０ＭＨｚ。中頻模擬信號經(jīng)高速Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成１２位的數(shù)字信號，經(jīng)ＦＰＧＡ鎖存之后進入第一片ＤＳＰ的數(shù)據(jù)總線ＤＡ-ＴＡ０－ＤＡＴＡ１１，并在ＤＳＰ１內(nèi)進行信號處理，之后再經(jīng)過鏈路口Ｌ０互傳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在ＤＳＰ２內(nèi)作進一步的信號處理。處理后的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)總線輸出到Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號輸出。基于此結(jié)構(gòu)的加載采用的是ＥＰＲＯＭ和鏈路口相結(jié)合的方法。Ｅ-ＰＲＯＭ用于存儲用戶程序，ＤＳＰ１直接與ＥＰＲＯＭ相連，ＤＳＰ２通過ＤＳＰ１的鏈路口Ｌ１加載用戶程序。ＤＳＰ標志引腳ＦＬＡＧ與ＩＲＱ引腳相連后可作為ＤＳＰ１和ＤＳＰ２在進行數(shù)據(jù)傳送和程序加載時的中斷觸發(fā)信號。設(shè)計時，若有些信號引腳如內(nèi)部上拉或者下拉不夠，還可外接上拉或者下拉電阻。
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