DSP接口效率解析以及提升

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近几年来，数字信号处理器（dsp）得到了广泛的应用。由于DSP采用程序空间和数据空间分离的哈佛结构，对程序和数据并行操作，使之成倍地提高了处理速度；再加上流水线技术，使得DSP的指令周期多为10ns级。而与之配套的外围器件却没有像DSP那样猛地发展。首先，DSP与外围器件之间的速度差异日益显著，大部分外围器件的读写周期在50ns以上，即使是最快的静态RAM，其读写周期亦为8ns左右，也只能与50MHz以下的DSP直接接口；其次，一些领域的器件在设计时并没有考虑与DSP接口，以至于不能直接接入DSP总线，如CAN总线控制器SA1000采用地址总线与数据总线分时复用的总线接口。这使得DSP与许多外部器件难以接口，特别是在与多个外部器件接口或者与总线不兼容的外部器件接口时，常常会出现因接口处理不当而导致接口效率低下的情况。当DSP对外部器件的操作频率很高时，接口效率的高低将对系统的运行速度产生不可忽略的影响。

1多个外设的情况

当DSP与低速器件接口时，可以通过设置DSP片内的等待状态产生控制寄存器（WSGR），在相应的程序空间、数据空间或I/O空间产生1～7个等待周期，以使DSP的访问速度能和低速器件相匹配。当在同一空间内既有低速器件又有高速器件时，通常WSGR的延时值被设置成与速度最慢的器件相一致，以保证DSP对所有的器件都能进行正确的访问。若对高速器件的操作很频繁，则这种对整个空间的延时将极不合理地降低系统速度。例如，有些系统在程序空间同时扩展有RAM和ROM。而ROM的速度一般远远低于RAM，其访问周期一般为100～200ns，即使DSP和RAM的访问速度均可达到25ns，但对整个数据空间进行延时后，DSP也只能以ROM的访问速度（100～200ns）对RAM进行访问。

在这种情况下，首先应考虑使用软件方法提供效率。其方法是默认的情况下将WSGR设置成与高速器件一致，当要访问低速器件时再修改WSGR的值。DSP常常对外部件进行连续操作，在这种情况下，软件方法还是比较有效的。但最大问题在于增加了软件负担和不稳定因素。

显然，效率最高的情况是，既不需要修改WSGR，DSP又能以外部器件本身的速度对它们进行访问。事实上，只要能够产生适当的信号控制DSP的READY端，就可以达到这个目的。DSP在开始一个外部总线的操作后，会在每一个CLKOUT信号（DSP的时钟输出）的上升沿时刻对READY端进行查询，若READY为低，则保持总线的状态不变，然后在下一个CLKOUT上升沿时刻两次查询，直至查询到READY为高时结束本次总线访问。

下面的设计实例中介绍的硬件等待电路（见图1）能够实现这个功能。它针对不同的外部器件产生相应的等待信号送到DSP的READY端，实现硬等待。其核心器件采用了广泛应用的通用逻辑阵列（GAL），GAL的引脚定义与图1相对应。使用GAL器件使硬件设计变得简单而灵活，可以完成比较复杂的逻辑关系。

例如，频率为50MHz的DSP在数据空间外扩有RAM和ROM各一片，访问周期分别为70ns和150ns，地址空间分别为0x8000～0x8fff和0x9000～0x9fff。由DSP的主频可知，对RAM和ROM的访问各需插入3个和7个等待周期。下面给出GAL源文件的关键部分（它们使用汇编程序FM的格式编写）：

Q0：=/Q0/RD+/Q0/WR

Q1：=/Q0Q1/RD+Q0/Q1/RD+/Q0Q1/WR

+Q0/Q1/WR

Q2：=/Q1Q2/RD+/Q0Q1Q2/RD+Q0Q1/Q2/RD

+/Q1Q2/WR+/Q0Q1Q2/WR+Q0Q1/Q2/WR

；构成一个三位的二进制计数器

；Q2为最高位、Q0为最低位

；对读信号或写信号的宽度进行计数

GAL_READY.OE=VCC

/GAL_READY=/DSA15/A14/A13/A12/Q1+/DSA15/A14/A13A12Q1/A0

;为RAM的访问插入3个周期

+/DSA15/A14/A13A12/Q0

+/DSA15/A14/A13/Q1

+/DSA15/A14/A13A12/Q2

；为ROM的访问插入7个周期

图2是一个与写时序对应的时序图，其中在下三角符号标出的时刻，DSP对READY端进行查询。

这种方法能够充分使用硬件的速度，并且对软件是透明的，不会增加编程人员的负担。

图3DSP与SJA1000的接口原理图

2总线不兼容的情况

有一类芯片的总线接口是分时复用的，如CAN总线控制器SJA1000。SJA1000有8位的数据和地址复用的总线，可以和多种MCU直接相连。一次总线操作开始时，总线先传递此次操作访问的地址，在ALE信号将地址锁存后，再进行数据读写。而DSP的数据总线和地址总线被并行地引出，这种并行结构比分时复用的串行结构先进，有着高一倍的带宽。但DSP被设计时并没有考虑过会在芯片外将并行的总线再串行化，也就是没有设计相应的辅助信号来完成这种转换。这使得完全使用硬件方法进行串行转换比较困难。

此类问题通常使用软件和硬件配合解决，并不真正地靠硬件进行园，而是把一次总线操作分解成两步。先把此次操作的目标地址作为数据送到总线上，同时通过硬件产生一个锁存信号将其锁存。然后再进行读写操作，读写操作的目标地址就是上一步被锁存的地址。

使用这种办法，硬件和软件都不需要进行复杂的变换。唯一的缺点是指令的效率变低了。由于SJA1000的读写周期一般是DSP的指令周期的几倍，一次访问被分解成两次后多消耗的时间不能忽略。还有一个更重要的影响是，这种转换方法在寻址时无法使用DSP的并行寻址功能，必须使用另外的变量独立运行。在多数的CAN总线应用中，这种处理方法不会对系统的整体性能产生太大的影响。但在有的系统中，这种低效是不可容忍的，如由DSP和SJA1000组成的CAN总线网关，它含有多个SJA1000芯片，并且在SJA1000之间需要经常进行数据块的搬移。对于次数频繁并且寻址有规律的操作，利用DSP的并行寻址功能将极大地提高程序的效率。以下程序段可在两个同网段的SJA1000之间完成一帧消息搬移功能（它在每次操作的同时对下次操作的地址进行并行寻址）：

Larar0,mlength;取消息的长度

Larar1,#SJA1_A;一个SJA1000中接收邮箱的首地址

Larar2,#SJA2_S;另一个SJA1000中发送邮箱的首地址

Mar,ar0

Mar-,ar1

Loop:;复制一帧消息

Lacl+,ar2

Sacl+,ar0

Banzloop,-,ar1

如果按下述方法改写这段程序，不仅对SJA1000的操作时间要增加倍，而且每次操作前都要对地址进行运算，使得完成同样功能的程序运行时间要增加到原来的3～4倍。

这时，只有使用纯硬件的解决方法才能获得理想的效果。设计的关键是生成合适的锁存信号ALE，使它能够满足SJA1000的时序要求。通过研究DSP控制信号的时序要吧发现，从地址建立到读写控制信号有效大约要经历二分之一个CPU时钟的时间，而SJA1000的ALE信号要求的最小宽度为8ns，因此对于主频在50MHz（CPU时钟为20ns）以下DSP，可以利用这二分之一个CPU时钟的时间间隔生成ALE信号。图3给出了含两片SJA1000的接口电路图。除了片选信号外，这两片SJA1000的总线和其它控制信号都连在一起。

假设SJA1000的片选地址为0X8xxx和0x9xxx，各引脚定义与图中对应，则GAL中的逻辑关系如下：

/ADDR_G=DSP_RDDSP_WRRDWR

/DATA_G=/DSP_DSDSP_A15/DSP_A14/DSP_A13ADDR_G

/WR=/DSP_WR/ALE

/RD=/DSP_RD/ALE

ALE=/DSP_DSDSP_A15/DSP_A14/DSP_A13

DSP_RDDSP_WR

/CS1=/DSP_DSDSP_A15/DSP_A14/DSP_A13

/DSP_A12ADDR_G

/CS2=/DSP_DSDSP_A15/DSP_A14/DSP_A13DSP_A12ADDR_G

对其中一片进行读写操作，则时序关系如图4所示。

其中，twr、tww分别为DSP读、写时的ALE信号宽度，它们都接近1/2个CLKOUT的周期。T为ALE的下降沿到RD、WR有效的时间，它由GAL翻转的延时产生，为10ns以上（注：本图中DSP的时序来自TMS320C24xxA系列，不同系列的DSP产品之间时序可能有细微的差别）。

对于主频高于50MHz的DSP，应当使用有更高工作频率的可编程逻辑器件，并将前面介绍的主数器引入编程逻辑器件内，来产生满足时序要求的锁存信号。

本文介绍的两种高效率的DSP接口的设计方法，去掉了在DSP访问外设时任何不必要的时间消耗。当然，效率的提高是以增加硬件的复杂杂度为代价的，在能够满足设计要求的前提下，设计者应该选择简单的设计方案。而对于频繁进行外设访问的高性能系统，本文提供了理想的接口方案。