TigerSHARC结构的ADSP-TS101及其应用

　　ADSP-TS101是AD公司新一代TIgerSHARC结构的数字信号处理器，具有多指令流多数据流(MIMD)结构；有两个计算单元，每个单元包括算术逻辑单元(ALU)、移位寄存器(shift)、乘法器(mult)、寄存器组(register files)。Adsp-TS101性能比ADSP21160有显著提高，且与之兼容，使得以ADSP21160开发的产品升级快速、简捷。Adsp-TS101是64位处理器，工作在250 MHz时钟下，可进行32位定点和32位或40位浮点运算，提供最高1500 MFLOPS(Millions of floating-pointoperations per second，每秒执行百万次浮点操作)的运算能力；内部具有6 M位双口 SRAM，同时集成了I/O处理器，加上内部总线，消除了I/O瓶颈。此外，Adsp-TS101适宜多处理器结构，内部集成总线仲裁，通过链路(1ink)12I和外部(external)口可支持并行处理器，而不需任何附加逻辑电路，每一个处理器可直接读写任何一个并行处理器的内存。本文简要介绍其性能、应用特点及芯片内部的系统结构和功能框图，给出Adsp-TS101的一种典型应用，并说明DSP的电源供电和功耗的计算方法。 

　　1 Adsp-TS101的主要性能

　　Adsp-TS101的主要性能如下：

• 　　采用TigerSHARC结构，具有3条独立总线用于取指令、取数据、不间断I/O；
• 　　指令周期4 ns，工作时钟250 MHz；
• 　　单指令流多数据流(SIMD)提供两个运算单元，每个有一个算术逻辑单元、乘法器、移位器、寄存器组，可同时在两个运算单元上进行同一指令下对不同数据的32位操作；
• 　　提供最大1 500 MFLOPS运算能力；
• 　　片内6 M位双口SRAM，允许CPU、Host和DMA的独立存取；
• 　　有14个DMA通道，可进行内存和外存、外设、主处理器、串(serial)口、链路(1ink)口之间的数据传输；
• 　　有2个数据地址发生器(IALU)，允许取模和按位取反操作；
• 　　片内集成I/0处理器、6 M位双口 SRAM，具有串行、连接、外部总线和JTAG测试口，支持多处理器结构；
• 　　并行总线和多运算单元，使单周期可执行1次算术逻辑运算、1次乘法、1次双口SRAM的读或写，以及1次取指操作，CPU与内存之间可进行每周期4个32位浮点字的传输；
• 　　簇式多处理器最高可支持8个TigerSHARC Adsp-TS101。

　　Adsp-TS101性能测试如表1、2所列。

　　2 Adsp-TS101的系统结构框图和功能简介

　　图1为ADSP一TSl01的系统结构框图。由图可见，Adsp-TS101包括PEX、PEY两个运算单元，每一个浮点运算有一个算术逻辑单元、乘法器、移位器、32字寄存器组。另外，算术逻辑单元、乘法器、移位器为并行排列，可进行单周期多功能操作，如在同一机器周期中算术逻辑单元和乘法器可同时进行操作。

• 　　当数据在存储器和寄存器之间传递时，IALU提供存储器的地址。每个IALU有一个算术逻辑单元、32字寄存器组。
• 　　程序控制器包括指令队列缓冲器(IAB)和分支目标缓冲器(BTB)。Adsp-TS101既有4个外部中断IRQ3～O，也有内部中断。
• 　　3条128位总线提供高的宽带连接。每个总线允许每个周期4条指令或4队列数据进行传输。外部口和其他链路口的片上单元也用这些总线访问存储器。在每个周期仅能访问一个存储器块，故DMA或外部口传输与处理器核在访问同一块时必须进行竞争。
• 　　片内6 M位SRAM，分为3个(M0、M1、M2)128位宽的2 M位的块，可组合构成数据、程序存储器，每个SRAM与两个总线相连，允许单周期内完成和CPU之间4个数的传输。
• 　　外部口支持与片外存储器、主机(host)及8片Adsp-TS101的多处理器接口。外部口支持同步、异步及突发式存取。
• 　　Adsp-TS101提供了4个链路口，每个链路口是8位双向口，与SHARC DSP口不兼容。
• 　　DMA控制器支持独立于处理器的后台零等待数据传输。14个DMA通道分别与外部口(4)、链路(1ink)口(8)，autoDMA寄存器(2)相连，外部总线可采用8/16/32/64位字长进行DMA操作。此外还有JTAG测试口及片内仿真。
• 　　串口支持250 Mb/s的收发独立的同步传输。
• 　　具有IEEE JTAG标准1149.1测试口和片内仿真。
• 　　27 mm×27 mm或19 mm×19 mm PBGA封装。
• 　　内部ADD1.2 V，外部ADD3.3 V。

　　3 Adsp-TS101的典型应用

　　根据ADSP-TS101的系统结构特点，给出Adsp-TS101在雷达信号处理方面的典型应用，如图2所示。信号处理机主要由以下几部分组成。

　　① 运放及A/D。DPMCW接收机视频输出信号幅度为O～+4 V，经运放接收后，输出到A/D的模拟输入端。运放及A/D分为I、Q两路输入，以32位定点数同时采集到DSP1，在DSP1内分为I、Q两部分进行处理。

　　② CPLD。CPLD内部主要完成对数据的锁存，产生A/D采样时钟、各个DSP的中断请求信号和数据发送的同步信号。

　　③ DSP1。DSP1主要完成：A/D数据输入变换，并输出到DSP2；系统自举。系统采用EPROM自举方式，4个DSP的加载任务由DSP1完成。初始化时，DSP1通过链路口1发出一个控制字，将工作参数传给DSP2、DSP3、DSP4。链路口3和链路口4用于系统自举。

　　④ DSP2。DSP2完成2048点FFT运算。输入数据用链路口0和链路口2，输出数据用链路口1和链路口3。链路口4用于系统自举。

　　⑤ DSP3。DSP3完成门限判断与固定目标对消和动目标运动速度的校正。

　　⑥ DSP4和DPRAM。DSP4完成数据积累，然后对数据进行整理并输出。

　　这个例子充分体现了ADSP-TSl01适宜多处理器结构，通过链路(1ink)口支持串行处理器，而不需要任何附加逻辑电路的优势。

　　(1) 电源供电

　　Adsp-TS101有三个电源，其中数字3.3 V为l/0供电；数字1.2 V为DSP内核供电；模拟1.2 V为内部锁相环和倍频电路供电。Adsp-TS101要求数字3.3 V和数字1.2 V同时上电。如果无法严格同步，则应保证核电源1.2 V先上电，l/0电源3.3 v后上电。本系统在数字3.3 V输入端并联了一个大电容，而在数字1.2 v输入端并联了一个小电容。其目的就是为了保证3.3 v充电时间大于1.2 v充电时间，以便很好地解决电源供电先后的问题。

　　(2)外部口功耗估计

　　外部口的功耗主要是输出引脚(例如数据线的某个位由高到低，或由低到高)转换的功率消耗，而且该功耗与系统无关。由于这种转换的外部平均电流为0.137 A，因此，功耗为PDD=VD×lDD=3.3 V×0.137 A="0".45 W

　　(3)内核功耗估计

　　内核最大电流为1.277 A。该电流是DSP进行单指令流多数据流(SIMD)方式下，4个16位定点字乘加与2个四字读取并行操作以及进行由外部口到内部存储器DMA操作所需的电流。实际上，DSP内核电流大小还和内核工作频率有关，图3所示是其内核电流与频率的关系曲线。因此，供给DSP内核电流可根据不同的并行处理任务和内核工作频率来确定。若并行处理较少，工作频率低，所需电流就小。这样，最大内核功耗为PDD=VDD×IDD=1.2 V×1.277 A="1".534 W。

　　本文介绍了Adsp-TS101芯片及其在雷达信号处理方面的应用。该应用系统充分利用了Adsp-TS101高速的运算能力、数据吞吐量大以及易于多片连接，可对数据进行串行处理的特点。文中还讨论了DSP应用过程中的电源设计和功耗问题，因而具有一定的工程指导意义。目前该系统已成功用于某雷达系统。