2006-03-01
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楼主 2006/3/1 9:45:03
流水线结构是芯片行为级降低功耗的主要方法之一,下面简要分析其原理。在传统的分析方法中,CMOS电路的功耗可用下面的方程进行估计:
其中f=1/Ts,Ts是原始时序系统的时钟周期。若是一个M级流水线系统,其关键路径则缩短为原路经长度的1/M,一个时钟周期内充放电电容则减小为Ccharge/M(注意总电容并没有变化)。如果时钟速度保持不变,则在原来对电容Ccharge充放电的同样时间内,现在只需要对Ccharge/M进行充放电,这就意味着电源电压可以降低到βVdd,其中β是一个小于1的常数。这样,流水线滤波器的功耗将为:
和原始系统相比流水线系统的功耗降低了β2倍。
该DSP处理器采用如图1所示的4级流水线结构。各级流水线的功能介绍如下:
FI:取址阶段。由程序地址产生模块产生指令存储器地址,并取出指令。
DI:译码阶段。通过指令译码产生相应的微控制信号,送入相应的控制寄存器。
FO:取操作数阶段。从寄存器堆或外部存储器读出相应的数据,通过数据总线送入运算单元或寄存器堆。
EXE/WB:执行及写回阶段。进行运算或操作,得出相应的结果,并将结果放到写总线(EB)上。
图1 4级流水线
2 外围接口部分
外围接口部分提供系统内部和外部的各种连接方式,实现各种方式的信息传输。本设计把这些接口分为二大部分:(1)MCU类型的接口,如低速的串行端口(串行外围接口(SPI)和通用异步收发器(UART))、可编程通信接口(PCI)、通用串行总线(USB)以及一些外围设备。(2)适于媒体信息收发的高速接口,如异步串行端口和并行外围接口。
3 数据传输的设计
数字信号处理是数据量很大的应用,所以如何高效地传输数据是一个影响系统性能的关键瓶颈。作为DSP处理器,必须有全面的DMA能力以便对数据在芯片内外进行传输。因为在DSP芯片内部集成足够的存储空间不大现实,所以必须采用DMA来管理流动数据,将数据传输和系统控制过程分开。这样,一方面可以提高数据传输的速度,另一方面可以降低处理器内核的负担,提高系统运行效率。
系统设计中DMA采用基于描述符的传送,它在发起DMA传送序列时,需要一组存储在存储器中的参数。这类传送允许将多个DMA序列链接在一起,一个DMA通道可以被编程建立,并且在当前序列完成之后启动另一个DMA传送。
4 乘法器和逻辑单元的设计
在数字信号处理应用中,实现高速的数据运算是其突出的特点,所以其结构设计中必须具有单独的乘法器以实现其性能的提高。乘法器和逻辑单元的结构框图如图2所示。
图2 CALU及乘法器结构框图
乘法器工作时,用1条LT(Load TR)指令加载TR,由TR提供一个乘数。乘法指令提供另一个操作数,它既可以是来自数据总线,也可以是来自程序总线的立即数。不管在哪种情况下,每个周期都可以获得稳定的乘积项输出。
3个移位器(shifter)是桶式移位器,它提供对16位或32位的操作数进行移位操作,可以大大提高乘后累加的速度。
5 地址处理模块
地址处理模块是为总线部件计算取指和取数据的地址,也包括处理一些重复指令和跳转指令。根据指令系统的特点,本文设计的地址处理单元如图3所示。
图3 地址处理模块结构框图
派生地址可能来自S_BUS,或是上一地址的加1值,也可能是总线输入数据暂存器DataIn之一;指令指针IC的值可能来自S_BUS或者是自增1的结果;预取指针PreIC可能来自IC或者是自加1的结果。最后的输出地址是派生地址暂存器AddrTemp、指令指针IC、总线输入数据暂存器DataIn或预取指针PreIC这4种地址之一。
当执行的指令需要计算有效地址时,输出地址是派生地址寄存器;当程序跳转时,输出地址是指令指针IC;当寻址方式是间接寻址时,输出地址是DataIn; 当预取指令时,输出地址是预取指针PreIC。
因为AddrTemp和IC的增量计算在系统中不可能同时出现,所以结构设计中只设计一个增量器供二者共用。
6 存储器的组织管理
在数字信号处理系统中,数据的吞吐率直接影响系统的性能,传统的冯·诺曼(Von Neuman)结构是将指令、数据存储在同一存储器中统一编址,依靠指令计数器提供的地址来区分指令和数据。取指令和取数据都访问同一存储器,数据吞吐率低。而哈佛结构则不同于传统的冯·诺曼结构的并行系统结构,其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是2个相互独立的存储器,每个存储器独立编址,独立访问。系统中设置了程序和数据2条总线,从而使数据的吞吐率提高了1倍。
本文的设计采用如图4所示的增强型哈佛结构,它包括1个程序代码存储器和2个数据存储器,其中程序代码存储器只存放指令,程序数据存储器存放程序数据,而数据存储器则存放通用数据。对这些存储器的访问是相互独立的,系统可以在取指令的同时提供2个操作数,因而大大提高了系统的执行效率。
为了使用更大的虚拟地址空间,对存储器采用分页管理,几个不同的页可以占用同一段地址空间,由各个存储器的分页寄存器指明当前所访问的是哪一页。
图4 增强型哈佛结构
楼主 2006/3/1 9:45:43
由公式(1)可以看出,系统的功耗和时钟频率呈线性关系,因此,通过降低系统时钟可以有效地降低功耗。时钟管理方案为系统提供了在不同工作模式下进行工作的频率,其结构如图5所示。由图可知,外部输入时钟CLKI经过全局输入缓冲器IBUFG连接到延迟锁相环DLL,锁相环原相时钟经过全局缓冲器BUFG输出,这样就可以得到稳定的片内原时钟;系统在低功耗模式下,可以根据用户配置的时钟分频计数器的值将原时钟分频,产生分频时钟;如果系统时钟要停止,可直接将低电平作为时钟输出。
图5 时钟管理方案结构图
以上3种时钟经过多路选择器输出,该内部产生的时钟已经不是稳定的时钟。因此,将该时钟输出到片外,然后将输入连接到片上时钟专用线,即经过全局输入缓冲器连接到延迟锁相环,锁相环原相时钟经过全局缓冲器输出产生稳定的系统主时钟。同时,锁相环二分频时钟经过全局缓冲器输出作为系统状态时钟,由它参与系统控制。此外,将该锁相环的时钟锁定标志LOCKED输出,便于在系统调试时观察内部时钟的稳定性。
本文介绍的低功耗DSP处理器的设计,相对于其他处理器的解决方案具有成本低、复杂性小、产品上市时间短等优点,并且能够以较低的价格实现各种便携式数字信号处理性能。该设计方法可作为同类设计的参考。
参考文献
1 Hennessy J L,Patterson D A.Computer Organization and Design:The Hardware/Software
Interface(Second Edition).北京:机械工业出版社(影印版),1998
2 Katz R H.Contemporary Logic Design.Addison Wesley,MA,1993
3 苏光大.图像并行处理技术.北京:清华大学出版社,2002
4 陈峰.Blackfin系列DSP原理与系统设计.北京:电子工业出版社,2004
