深度解析ADSP-2126x：高性能音頻處理的理想之選

在當(dāng)今的電子領(lǐng)域，音頻處理技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)處理器的性能和功能提出了更高的要求。ADI公司的ADSP-21261/ADSP-21262/ADSP-21266 SHARC DSP處理器，憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了高性能音頻處理應(yīng)用的理想之選。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款處理器。

文件下載：ADSP-21262.pdf

性能卓越，滿足音頻處理需求

ADSP-2126x是一款32位/40位浮點(diǎn)處理器，專(zhuān)為高性能音頻處理進(jìn)行了優(yōu)化。它在匯編層面與其他SHARC DSP代碼兼容，使用相同的指令集，能夠在處理高性能音頻的同時(shí)，有效降低系統(tǒng)成本。

在性能方面，ADSP-2126x表現(xiàn)出色。以200 MHz運(yùn)行時(shí)，它在多種基準(zhǔn)算法上展現(xiàn)出了強(qiáng)大的處理能力。例如，1024點(diǎn)復(fù)FFT（基4，帶反轉(zhuǎn)）僅需61.3 μs，F(xiàn)IR濾波器（每抽頭）為3.3 ns，IIR濾波器（每雙二階）為13.3 ns等。通過(guò)兩個(gè)計(jì)算單元，它在一系列DSP算法上比之前的SHARC處理器性能提升了5到10倍。采用最先進(jìn)的高速CMOS工藝，在200 MHz時(shí)指令周期時(shí)間為5 ns，150 MHz時(shí)為6.6 ns。借助SIMD計(jì)算硬件，200 MHz運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)1200 MFLOPS，150 MHz運(yùn)行時(shí)為900 MFLOPS。

架構(gòu)獨(dú)特，提升處理效率

SIMD計(jì)算引擎

ADSP-2126x包含兩個(gè)處理單元，作為單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）引擎運(yùn)行。這兩個(gè)處理單元分別為PEX和PEY，每個(gè)都包含ALU、乘法器、移位器和寄存器文件。PEX始終處于活動(dòng)狀態(tài)，PEY可通過(guò)設(shè)置MODE1寄存器中的PEYEN模式位來(lái)啟用。進(jìn)入SIMD模式后，兩個(gè)處理單元執(zhí)行相同的指令，但處理不同的數(shù)據(jù)，這種架構(gòu)在執(zhí)行數(shù)學(xué)密集型音頻算法時(shí)非常高效。同時(shí)，進(jìn)入SIMD模式會(huì)使內(nèi)存與處理單元之間的數(shù)據(jù)帶寬翻倍，以滿足計(jì)算需求。

獨(dú)立并行計(jì)算單元

每個(gè)處理單元內(nèi)都有一組計(jì)算單元，包括算術(shù)邏輯單元（ALU）、乘法器和移位器。這些單元在單個(gè)周期內(nèi)完成所有操作，并且相互并行排列，最大限度地提高了計(jì)算吞吐量。單多功能指令可以同時(shí)執(zhí)行并行的ALU和乘法器操作，在SIMD模式下，這種并行操作會(huì)在兩個(gè)處理單元中同時(shí)發(fā)生。這些計(jì)算單元支持IEEE 32位單精度浮點(diǎn)、40位擴(kuò)展精度浮點(diǎn)和32位定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式。

數(shù)據(jù)寄存器文件

每個(gè)處理單元都包含一個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器文件，用于在計(jì)算單元和數(shù)據(jù)總線之間傳輸數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)中間結(jié)果。這些10端口、32寄存器（16個(gè)主寄存器，16個(gè)輔助寄存器）的寄存器文件，結(jié)合ADSP-2126x增強(qiáng)的哈佛架構(gòu)，允許計(jì)算單元和內(nèi)部?jī)?nèi)存之間實(shí)現(xiàn)無(wú)約束的數(shù)據(jù)流動(dòng)。PEX中的寄存器稱(chēng)為R0 - R15，PEY中的寄存器稱(chēng)為S0 - S15。

單周期取指令和四個(gè)操作數(shù)

ADSP-2126x采用增強(qiáng)的哈佛架構(gòu)，數(shù)據(jù)內(nèi)存（DM）總線傳輸數(shù)據(jù)，程序內(nèi)存（PM）總線傳輸指令和數(shù)據(jù)。通過(guò)獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存總線以及片上指令緩存，處理器可以在單個(gè)周期內(nèi)同時(shí)獲取四個(gè)操作數(shù)（每個(gè)數(shù)據(jù)總線兩個(gè)）和一條指令（從緩存中）。

指令緩存

片上指令緩存使處理器能夠進(jìn)行三總線操作，以獲取一條指令和四個(gè)數(shù)據(jù)值。緩存具有選擇性，僅緩存那些與PM總線數(shù)據(jù)訪問(wèn)沖突的指令。這使得核心的循環(huán)操作（如數(shù)字濾波器乘累加和FFT蝶形處理）能夠全速執(zhí)行。

數(shù)據(jù)地址生成器

ADSP-2126x的兩個(gè)數(shù)據(jù)地址生成器（DAGs）用于間接尋址和在硬件中實(shí)現(xiàn)循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。循環(huán)緩沖區(qū)允許高效編程延遲線和其他數(shù)字信號(hào)處理所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，常用于數(shù)字濾波器和傅里葉變換。兩個(gè)DAGs包含足夠的寄存器，可創(chuàng)建多達(dá)32個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)（16個(gè)主寄存器集，16個(gè)輔助寄存器集）。DAGs自動(dòng)處理地址指針回繞，減少開(kāi)銷(xiāo)，提高性能，并簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)。循環(huán)緩沖區(qū)可以在任何內(nèi)存位置開(kāi)始和結(jié)束。

靈活的指令集

48位指令字可容納各種并行操作，便于簡(jiǎn)潔編程。例如，ADSP-2126x可以在一個(gè)指令中，在兩個(gè)處理單元中有條件地執(zhí)行乘法、加法和減法，同時(shí)進(jìn)行分支并從內(nèi)存中獲取多達(dá)四個(gè)32位值。

豐富的內(nèi)存和I/O接口

雙端口片上內(nèi)存

ADSP-21262和ADSP-21266包含2兆位內(nèi)部SRAM和4兆位內(nèi)部掩膜可編程ROM，ADSP-21261包含1兆位內(nèi)部SRAM和3兆位內(nèi)部掩膜可編程ROM。每個(gè)內(nèi)存塊都可以配置為不同的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組合，并且是雙端口的，允許核心處理器和I/O處理器在單個(gè)周期內(nèi)獨(dú)立訪問(wèn)。雙端口內(nèi)存與三個(gè)獨(dú)立的片上總線相結(jié)合，允許在單個(gè)周期內(nèi)從核心進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)傳輸，從I/O處理器進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸。

DMA控制器

片上DMA控制器允許零開(kāi)銷(xiāo)的數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)需處理器干預(yù)。它獨(dú)立于處理器核心運(yùn)行，在核心執(zhí)行程序指令的同時(shí)進(jìn)行DMA操作。DMA傳輸可以在ADSP-2126x的內(nèi)部?jī)?nèi)存和其串行端口、SPI兼容端口、IDP、并行數(shù)據(jù)采集端口或并行端口之間進(jìn)行。ADSP-2126x最多提供22個(gè)DMA通道，包括一個(gè)用于SPI接口、12個(gè)通過(guò)串行端口、8個(gè)通過(guò)輸入數(shù)據(jù)端口和一個(gè)通過(guò)處理器的并行端口。程序可以通過(guò)DMA傳輸下載到ADSP-2126x。此外，DMA還具有在傳輸完成時(shí)生成中斷和DMA鏈功能，用于自動(dòng)鏈接DMA傳輸。

數(shù)字應(yīng)用接口（DAI）

DAI提供了將各種外設(shè)連接到SHARC DSP的DAI引腳（DAI_P20 - 1）的能力。通過(guò)信號(hào)路由單元（SRU）進(jìn)行連接，SRU是一個(gè)矩陣路由單元（或一組多路復(fù)用器），允許在軟件控制下互連DAI提供的外設(shè)。DAI還包括六個(gè)串行端口、兩個(gè)精密時(shí)鐘發(fā)生器（PCGs）、一個(gè)輸入數(shù)據(jù)端口（IDP）、六個(gè)標(biāo)志輸出和六個(gè)標(biāo)志輸入以及三個(gè)定時(shí)器。IDP為ADSP-2126x核心提供了額外的輸入路徑，可以配置為八個(gè)I2S或串行數(shù)據(jù)通道，或七個(gè)通道加一個(gè)20位寬的同步并行數(shù)據(jù)采集端口。每個(gè)數(shù)據(jù)通道都有自己獨(dú)立于ADSP-2126x串行端口的DMA通道。

串行端口

ADSP-2126x具有六個(gè)全雙工同步串行端口，為各種數(shù)字和混合信號(hào)外設(shè)提供了廉價(jià)的接口，如ADI的AD183x系列音頻編解碼器、ADC和DAC。串行端口由兩條數(shù)據(jù)線、一個(gè)時(shí)鐘和幀同步組成。數(shù)據(jù)線可以編程為發(fā)送或接收，每個(gè)數(shù)據(jù)線都有自己的專(zhuān)用DMA通道。所有六個(gè)SPORTs啟用時(shí)，串行端口支持多達(dá)24個(gè)發(fā)送或24個(gè)接收通道的音頻數(shù)據(jù)，或六個(gè)每幀128通道的全雙工TDM流。串行端口的運(yùn)行速度最高可達(dá)DSP核心時(shí)鐘速率的四分之一，200 MHz核心時(shí)每個(gè)端口的最大數(shù)據(jù)速率為50M位/秒，150 MHz核心時(shí)為37.5M位/秒。串行端口數(shù)據(jù)可以通過(guò)專(zhuān)用DMA自動(dòng)傳輸?shù)狡蟽?nèi)存和從片上內(nèi)存?zhèn)鬏?。每個(gè)串行端口可以與另一個(gè)串行端口配合使用，提供TDM支持。串行端口支持四種模式：標(biāo)準(zhǔn)DSP串行模式、多通道（TDM）模式、I2S模式和左對(duì)齊樣本對(duì)模式。

串行外設(shè)（兼容）接口

SPI是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行鏈路，使ADSP-2126x的SPI兼容端口能夠與其他SPI兼容設(shè)備通信。它由兩條數(shù)據(jù)線、一個(gè)設(shè)備選擇引腳和一個(gè)時(shí)鐘引腳組成，是一個(gè)全雙工同步串行接口，支持主模式和從模式。SPI端口可以在多主環(huán)境中運(yùn)行，通過(guò)與多達(dá)四個(gè)其他SPI兼容設(shè)備接口，既可以作為主設(shè)備也可以作為從設(shè)備。ADSP-2126x的SPI兼容外設(shè)實(shí)現(xiàn)還具有可編程的波特率，200 MHz核心時(shí)鐘時(shí)最高可達(dá)50 MHz，150 MHz核心時(shí)鐘時(shí)最高可達(dá)37.5 MHz，以及可編程的時(shí)鐘相位和極性。SPI兼容端口使用開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)器，以支持多主配置并避免數(shù)據(jù)沖突。

并行端口

并行端口提供了與SRAM和外設(shè)的接口。復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)引腳（AD15 - 0）可以訪問(wèn)8位設(shè)備，最多24位地址，或16位設(shè)備，最多16位地址。在8位或16位模式下，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為核心時(shí)鐘速度的三分之一。例如，200 MHz時(shí)鐘速率相當(dāng)于66M字節(jié)/秒，150 MHz時(shí)鐘速率相當(dāng)于50M字節(jié)/秒。DMA傳輸用于在內(nèi)部?jī)?nèi)存和外設(shè)之間移動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)并行端口寄存器的讀寫(xiě)功能也可以方便地訪問(wèn)核心。RD、WR和ALE（地址鎖存使能）引腳是并行端口的控制引腳。

定時(shí)器

ADSP-2126x共有四個(gè)定時(shí)器：一個(gè)核心定時(shí)器能夠生成周期性軟件中斷，三個(gè)通用定時(shí)器可以生成周期性中斷，并可以獨(dú)立設(shè)置為以下三種模式之一：脈沖波形生成模式、脈沖寬度計(jì)數(shù)/捕獲模式和外部事件看門(mén)狗模式。核心定時(shí)器可以配置為使用FLAG3作為定時(shí)器過(guò)期輸出信號(hào)，每個(gè)通用定時(shí)器有一個(gè)雙向引腳和四個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)其操作模式：一個(gè)6位配置寄存器、一個(gè)32位計(jì)數(shù)寄存器、一個(gè)32位周期寄存器和一個(gè)32位脈沖寬度寄存器。一個(gè)單一的控制和狀態(tài)寄存器可以獨(dú)立啟用或禁用所有三個(gè)通用定時(shí)器。

ROM安全

ADSP-2126x具有ROM安全功能，通過(guò)防止在啟用時(shí)從內(nèi)部代碼進(jìn)行未經(jīng)授權(quán)的讀取，為用戶軟件代碼提供硬件支持。使用此功能時(shí)，DSP不會(huì)加載任何外部代碼，僅從內(nèi)部SRAM/ROM執(zhí)行。此外，DSP不能通過(guò)JTAG端口自由訪問(wèn)。每個(gè)客戶將被分配一個(gè)唯一的64位密鑰，必須通過(guò)JTAG或測(cè)試訪問(wèn)端口掃描輸入。設(shè)備將忽略錯(cuò)誤的密鑰，只有在掃描正確的密鑰后，仿真功能和外部啟動(dòng)模式才可用。

程序啟動(dòng)

ADSP-2126x的內(nèi)部?jī)?nèi)存在系統(tǒng)上電時(shí)通過(guò)并行端口從8位EPROM、SPI主設(shè)備、SPI從設(shè)備或內(nèi)部啟動(dòng)。啟動(dòng)模式由啟動(dòng)配置（BOOT_CFG1 - 0）引腳確定。

鎖相環(huán)

ADSP-2126x使用片上鎖相環(huán)（PLL）為核心生成內(nèi)部時(shí)鐘。上電時(shí)，CLK_CFG1 - 0引腳用于選擇16:1、8:1和3:1的比率。啟動(dòng)后，可以通過(guò)軟件控制選擇許多其他比率。這些比率由1到64的軟件可配置分子值和2、4、8和16的軟件可配置除數(shù)組成。

電源供應(yīng)

ADSP-2126x具有獨(dú)立的內(nèi)部（VDDINT）、外部（VDDEXT）和模擬（AVDD/AVSS）電源供應(yīng)連接。內(nèi)部和模擬電源必須滿足1.2 V要求，外部電源必須滿足3.3 V要求。所有外部電源引腳必須連接到同一電源。需要注意的是，模擬電源引腳（AVDD）為ADSP-2126x的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器PLL供電。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘，建議PCB設(shè)計(jì)在AVDD引腳使用外部濾波電路，并將濾波組件盡可能靠近AVDD/AVSS引腳放置。

開(kāi)發(fā)工具支持

ADI為ADSP-2126x提供了完整的軟件和硬件開(kāi)發(fā)工具，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（如CrossCore? Embedded Studio和VisualDSP++?）、評(píng)估產(chǎn)品、仿真器和各種軟件插件。

集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDEs）

ADI提供了兩種用于C/C++軟件開(kāi)發(fā)、代碼生成和調(diào)試支持的IDE。最新的CrossCore Embedded Studio基于EclipseTM框架，支持大多數(shù)ADI處理器系列，是未來(lái)處理器（包括多核設(shè)備）的首選IDE。它無(wú)縫集成了可用的軟件插件，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、TCP/IP堆棧、USB堆棧、算法軟件模塊和評(píng)估硬件板支持包。VisualDSP++支持在CrossCore Embedded Studio發(fā)布之前推出的處理器系列，包括ADI的VDK實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和開(kāi)源TCP/IP堆棧。需要注意的是，VisualDSP++將不再支持未來(lái)的ADI處理器。

EZ-KIT Lite評(píng)估板和套件

ADI提供了廣泛的EZ-KIT Lite?評(píng)估板，包括處理器和關(guān)鍵外設(shè)，支持片上仿真功能以及其他評(píng)估和開(kāi)發(fā)特性。還有各種EZ-Extenders?子卡，提供額外的專(zhuān)業(yè)功能，如音頻和視頻處理。ADI還提供了一系列EZ-KIT Lite評(píng)估套件，每個(gè)套件包括一個(gè)EZ-KIT Lite評(píng)估板、下載可用IDE評(píng)估版本的說(shuō)明、USB電纜和電源。EZ-KIT Lite板上的USB控制器連接到用戶PC的USB端口，允許所選的IDE評(píng)估套件在電路中仿真板上的處理器。這使得客戶可以下載、執(zhí)行和調(diào)試EZ-KIT Lite系統(tǒng)的程序，還支持對(duì)板上Flash設(shè)備進(jìn)行電路編程，以存儲(chǔ)用戶特定的啟動(dòng)代碼，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立操作。

軟件插件

ADI提供的軟件插件可以無(wú)縫集成到CrossCore Embedded Studio中，擴(kuò)展其功能并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。這些插件包括評(píng)估硬件的板支持包、各種中間件包和算法模塊。安裝插件后，可以通過(guò)CrossCore Embedded Studio IDE查看插件中的文檔、幫助、配置對(duì)話框和編碼示例。

產(chǎn)品規(guī)格與注意事項(xiàng)

工作條件

ADSP-2126x的內(nèi)部（核心）電源電壓范圍為1.14 - 1.26 V，模擬（PLL）電源電壓范圍為1.14 - 1.26 V，外部（I/O）電源電壓范圍為3.13 - 3.47 V。輸入高電平電壓和低電平電壓也有相應(yīng)的要求，環(huán)境溫度根據(jù)不同的等級(jí)有所不同，K級(jí)為0 - +70 °C，B級(jí)為 - 40 - +85 °C。

電氣特性

輸出高電平電壓和低電平電壓、輸入電流、三態(tài)泄漏電流等都有具體的規(guī)格要求。同時(shí)，對(duì)于不同的引腳和操作模式，也有相應(yīng)的電氣特性規(guī)定。

封裝信息

ADSP-2126x有144引腳LQFP和136球BGA兩種封裝形式，不同封裝的引腳配置和相關(guān)參數(shù)都有詳細(xì)的說(shuō)明。

ESD注意事項(xiàng)

該處理器是靜電放電（ESD）敏感設(shè)備，盡管具有專(zhuān)利或?qū)Ｓ?a href="http://www.makelele.cn/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路，但高能量ESD仍可能對(duì)設(shè)備造成損壞。因此，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)腅SD預(yù)防措施，以避免性能下降或功能喪失。

最大功耗和絕對(duì)最大額定值

最大功耗的詳細(xì)熱和功率信息可參考《Estimating Power for the ADSP-21262 SHARC Processors (EE-216)》，絕對(duì)最大額定值規(guī)定了設(shè)備能夠承受的最大應(yīng)力，超過(guò)這些值可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。

時(shí)序規(guī)格

詳細(xì)的時(shí)序規(guī)格對(duì)于確保處理器與其他設(shè)備的正確操作至關(guān)重要，包括時(shí)鐘輸入、復(fù)位、中斷、定時(shí)器等方面的時(shí)序要求。

ADSP-2126x以其卓越的性能、獨(dú)特的架構(gòu)、豐富的接口和完善的開(kāi)發(fā)工具支持，為高性能音頻處理應(yīng)用提供了強(qiáng)大的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)音頻處理系統(tǒng)時(shí)，不妨考慮這款處理器，相信它能為項(xiàng)目帶來(lái)出色的表現(xiàn)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？又有哪些獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。