深入剖析ADSP - 2136x SHARC處理器：高性能音頻處理的理想之選

在當(dāng)今電子技術(shù)飛速發(fā)展的時代，高性能處理器對于各類應(yīng)用的重要性不言而喻。ADSP - 2136x SHARC處理器作為一款專為高性能音頻處理優(yōu)化的32位/40位浮點處理器，憑借其卓越的性能和豐富的功能，在音頻處理、醫(yī)療成像、通信等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出強大的競爭力。今天，我們就來深入剖析這款處理器，了解它的核心架構(gòu)、外設(shè)特點以及相關(guān)的設(shè)計要點。

文件下載：ADSP-21363.pdf

一、處理器概述

ADSP - 2136x是SIMD SHARC系列DSP的一員，采用了ADI公司的Super Harvard架構(gòu)。它與ADSP - 2126x、ADSP - 2116x DSP以及第一代ADSP - 2106x SHARC處理器在SISD模式下源代碼兼容。該處理器專為高性能汽車音頻應(yīng)用進行了優(yōu)化，擁有大量的片上SRAM和ROM、多個內(nèi)部總線以消除I/O瓶頸，還配備了創(chuàng)新的數(shù)字音頻接口（DAI）。

性能表現(xiàn)

在333 MHz的時鐘頻率下，ADSP - 2136x展現(xiàn)出了出色的性能。例如，在1024點復(fù)FFT（基4，帶反轉(zhuǎn)）算法中，僅需27.9 μs；FIR濾波器（每抽頭）為1.5 ns；IIR濾波器（每雙二階）為6.0 ns等。這些數(shù)據(jù)充分證明了它在信號處理方面的高效性。

產(chǎn)品特性對比

ADSP - 2136x系列包含ADSP - 21362、ADSP - 21363、ADSP - 21364、ADSP - 21365和ADSP - 21366等型號，它們在RAM和ROM容量上均為3M bit和4M bit，但在音頻解碼器、PWM、S/PDIF、DTCP以及SRC SNR性能等方面存在差異。例如，ADSP - 21362和ADSP - 21365提供DTCP協(xié)議，而ADSP - 21363則沒有S/PDIF和SRC功能。

二、核心架構(gòu)

SIMD計算引擎

處理器包含兩個計算處理單元，作為單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）引擎運行。PEX始終處于活動狀態(tài)，PEY可通過設(shè)置MODE1寄存器中的PEYEN模式位來啟用。進入SIMD模式后，兩個處理單元執(zhí)行相同的指令，但處理不同的數(shù)據(jù)，這大大提高了數(shù)學(xué)密集型信號處理算法的執(zhí)行效率。同時，進入SIMD模式也會使內(nèi)存與處理單元之間的數(shù)據(jù)帶寬翻倍。

獨立并行計算單元

每個處理單元內(nèi)部都有一組計算單元，包括算術(shù)邏輯單元（ALU）、乘法器和移位器。這些單元在單個周期內(nèi)完成所有操作，并且三個單元并行排列，最大化了計算吞吐量。在SIMD模式下，并行的ALU和乘法器操作在兩個處理單元中同時進行，支持IEEE 32位單精度浮點、40位擴展精度浮點和32位定點數(shù)據(jù)格式。

數(shù)據(jù)寄存器文件

每個處理單元都有一個通用數(shù)據(jù)寄存器文件，用于在計算單元和數(shù)據(jù)總線之間傳輸數(shù)據(jù)，并存儲中間結(jié)果。這些10端口、32寄存器（16個主寄存器，16個輔助寄存器）的文件與ADSP - 2136x增強的哈佛架構(gòu)相結(jié)合，實現(xiàn)了計算單元與內(nèi)部內(nèi)存之間無約束的數(shù)據(jù)流動。

上下文切換

處理器的許多寄存器都有輔助寄存器，可在中斷服務(wù)期間激活，實現(xiàn)快速上下文切換。數(shù)據(jù)寄存器、DAG寄存器和乘法器結(jié)果寄存器都有輔助寄存器，主寄存器在復(fù)位時激活，輔助寄存器通過模式控制寄存器中的控制位激活。

通用寄存器

通用寄存器是通用目的寄存器。USTAT（4）寄存器允許對核心的所有系統(tǒng)寄存器（控制/狀態(tài)）進行簡單的位操作（設(shè)置、清除、切換、測試、異或）。數(shù)據(jù)總線交換寄存器（PX）允許在64位PM數(shù)據(jù)總線和64位DM數(shù)據(jù)總線之間，或在40位寄存器文件和PM/DM數(shù)據(jù)總線之間傳遞數(shù)據(jù)。

定時器

核心定時器可生成周期性軟件中斷，并可配置為使用FLAG3作為定時器過期信號。

單周期指令和四操作數(shù)獲取

處理器采用增強的哈佛架構(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)。通過獨立的程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存總線以及片上指令緩存，處理器可以在單個周期內(nèi)同時獲取四個操作數(shù)（每個數(shù)據(jù)總線兩個）和一條指令（從緩存中）。

指令緩存

片上指令緩存支持三總線操作，用于獲取一條指令和四個數(shù)據(jù)值。緩存是選擇性的，僅緩存與PM總線數(shù)據(jù)訪問沖突的指令，這使得核心循環(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

處理器的兩個數(shù)據(jù)地址生成器（DAGs）用于間接尋址和在硬件中實現(xiàn)循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。循環(huán)緩沖區(qū)允許高效編程數(shù)字信號處理中所需的延遲線和其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，常用于數(shù)字濾波器和傅里葉變換。兩個DAGs包含足夠的寄存器，可創(chuàng)建多達32個循環(huán)緩沖區(qū)（16個主寄存器集，16個輔助寄存器集），自動處理地址指針回繞，減少開銷，提高性能并簡化實現(xiàn)。

靈活的指令集

48位指令字可容納各種并行操作，實現(xiàn)簡潔編程。例如，處理器可以在兩個處理單元中有條件地執(zhí)行乘法、加法和減法，同時進行分支并從內(nèi)存中獲取多達四個32位值，所有這些都在一條指令中完成。

片上內(nèi)存

處理器包含3M位的內(nèi)部SRAM和4M位的內(nèi)部ROM。每個塊都可以配置為不同的代碼和數(shù)據(jù)存儲組合，支持核心處理器和I/O處理器的單周期獨立訪問。內(nèi)存架構(gòu)與獨立的片上總線相結(jié)合，允許在單個周期內(nèi)從核心進行兩次數(shù)據(jù)傳輸，從I/O處理器進行一次數(shù)據(jù)傳輸。

ROM安全特性

處理器具有ROM安全功能，通過防止從內(nèi)部代碼進行未經(jīng)授權(quán)的讀取來保護用戶軟件代碼。使用此功能時，處理器僅從內(nèi)部ROM執(zhí)行，不加載任何外部代碼，并且需要通過JTAG或測試訪問端口掃描唯一的64位密鑰才能訪問，錯誤的密鑰將被忽略。

三、外設(shè)架構(gòu)

并行端口

并行端口提供與SRAM和外圍設(shè)備的接口。復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)引腳（AD15 - 0）可訪問8位設(shè)備（最多24位地址）或16位設(shè)備（最多16位地址），最大數(shù)據(jù)傳輸速率為fPCLK/4。DMA傳輸用于在內(nèi)部內(nèi)存和外圍設(shè)備之間移動數(shù)據(jù)，通過并行端口寄存器的讀寫功能也可方便地訪問核心。

串行外設(shè)接口（SPI）

處理器包含兩個SPI端口，是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行鏈路，支持主從模式，最大波特率為fPCLK/4。SPI端口可在多主環(huán)境中與多達四個其他SPI兼容設(shè)備通信，并且具有可編程的波特率、時鐘相位和極性。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）

PWM模塊共有四個組，每組四個PWM輸出，總共生成16個PWM輸出。它是一個靈活的、可編程的PWM波形發(fā)生器，可生成中心對齊或邊緣對齊的PWM波形，還可在成對模式下生成互補信號或在非成對模式下生成獨立信號。在生成中心對齊的PWM波形時，可在單更新模式或雙更新模式下運行。

數(shù)字音頻接口（DAI）

DAI提供了將各種外圍設(shè)備連接到DSP的DAI引腳的能力，通過信號路由單元（SRU）實現(xiàn)軟件控制的外設(shè)互連。DAI包括六個串行端口、S/PDIF接收器/發(fā)射器、DTCP加密器、精密時鐘發(fā)生器（PCG）、8通道異步采樣率轉(zhuǎn)換器（ASRC）、輸入數(shù)據(jù)端口（IDP）、SPI端口、六個標(biāo)志輸出和六個標(biāo)志輸入以及三個定時器。

串行端口

處理器具有六個同步串行端口，可提供與各種數(shù)字和混合信號外圍設(shè)備的低成本接口，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、一個時鐘和一個幀同步組成，最大運行速度為fPCLK/4，數(shù)據(jù)可通過專用DMA通道自動在片上內(nèi)存和串行端口之間傳輸。串行端口可在標(biāo)準(zhǔn)DSP串行模式、多通道（TDM）模式、I2S模式和左對齊采樣對模式下運行。

S/PDIF兼容數(shù)字音頻接收器/發(fā)射器

S/PDIF發(fā)射器接收串行格式的音頻數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為雙相編碼信號。串行數(shù)據(jù)輸入可以是左對齊、I2S或右對齊，字寬為16、18、20或24位。

數(shù)字傳輸內(nèi)容保護（DTCP）

DTCP規(guī)范定義了一種加密協(xié)議，用于保護音頻娛樂內(nèi)容在高性能數(shù)字總線上傳輸時不被非法復(fù)制、攔截和篡改。此功能僅在ADSP - 21362和ADSP - 21365處理器上可用，使用該功能需要通過DTLA進行授權(quán)。

內(nèi)存到內(nèi)存（MTM）

如果不使用DTCP模塊，MTM DMA模塊允許進行標(biāo)準(zhǔn)DMA的內(nèi)部內(nèi)存復(fù)制。

同步/異步采樣率轉(zhuǎn)換器（SRC）

SRC包含四個SRC塊，與AD1896 192 kHz立體聲異步采樣率轉(zhuǎn)換器使用相同的核心，可提供高達140 dB的SNR。SRC塊可在獨立立體聲通道上執(zhí)行同步或異步采樣率轉(zhuǎn)換，無需使用內(nèi)部處理器資源，四個SRC塊也可一起配置以轉(zhuǎn)換多通道音頻數(shù)據(jù)而不會出現(xiàn)相位失配。

輸入數(shù)據(jù)端口（IDP）

IDP提供多達八個串行輸入通道，每個通道都有自己的時鐘、幀同步和數(shù)據(jù)輸入。八個通道自動復(fù)用為一個32位×8深度的FIFO，數(shù)據(jù)始終格式化為64位幀，并分為兩個32位字。

精密時鐘發(fā)生器（PCG）

PCG由兩個單元組成，每個單元從時鐘輸入信號生成一對信號（時鐘和幀同步），兩個單元功能相同且相互獨立，生成的信號通常用作串行位時鐘/幀同步對。

外設(shè)定時器

三個通用定時器可生成周期性中斷，并可獨立設(shè)置為脈沖波形生成模式、脈沖寬度計數(shù)/捕獲模式或外部事件看門狗模式。每個定時器有一個雙向引腳和四個寄存器來實現(xiàn)其操作模式。

四、I/O處理器特性

處理器的I/O提供多個DMA通道，并控制前面提到的大量外設(shè)。DMA控制器允許在不依賴處理器干預(yù)的情況下進行數(shù)據(jù)傳輸，獨立于處理器核心運行，可在核心執(zhí)行程序指令的同時進行DMA操作。DMA傳輸可在處理器的內(nèi)部內(nèi)存與串行端口、SPI端口、IDP、并行數(shù)據(jù)采集端口（PDAP）或并行端口之間進行。

五、系統(tǒng)設(shè)計

程序啟動

處理器的內(nèi)部內(nèi)存可在系統(tǒng)上電時通過并行端口從8位EPROM、SPI主設(shè)備、SPI從設(shè)備或內(nèi)部啟動進行啟動。啟動模式由BOOT_CFG1 - 0引腳確定。

鎖相環(huán)（PLL）

處理器使用片上鎖相環(huán)（PLL）為核心生成內(nèi)部時鐘。上電時，CLK_CFG1 - 0引腳用于選擇32:1、16:1和6:1的比率，啟動后可通過軟件控制選擇其他比率。

電源供應(yīng)

處理器有獨立的內(nèi)部（VDDINT）、外部（VDDEXT）和模擬（AVDD/AVSS）電源供應(yīng)。內(nèi)部和模擬電源對于K、B和Y等級型號需滿足1.2 V要求，Y型號需滿足1.0 V要求，外部電源需滿足3.3 V要求。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘，建議在PCB設(shè)計中為AVDD引腳使用外部濾波電路。

六、開發(fā)工具

ADI為其處理器提供了完整的軟件和硬件開發(fā)工具，包括集成開發(fā)環(huán)境（如CrossCore? Embedded Studio和VisualDSP++?）、評估產(chǎn)品、仿真器和各種軟件插件。

集成開發(fā)環(huán)境（IDEs）

CrossCore Embedded Studio基于EclipseTM框架，支持大多數(shù)ADI處理器系列，是未來處理器（包括多核設(shè)備）的首選IDE。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實時操作系統(tǒng)和開源TCP/IP棧。

EZ - KIT Lite評估板

ADI提供各種EZ - KIT Lite評估板，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估和開發(fā)特性。此外，還有各種EZ - Extenders子卡，可提供額外的專用功能，如音頻和視頻處理。

軟件插件

ADI提供的軟件插件可與CrossCore Embedded Studio無縫集成，擴展其功能并減少開發(fā)時間。插件包括評估硬件的板級支持包、各種中間件包和算法模塊。

七、引腳功能描述

文檔詳細列出了處理器的引腳定義，包括輸入輸出類型、復(fù)位前后的狀態(tài)以及功能說明。輸入分為同步和異步，未使用的輸入除特定引腳外應(yīng)連接到VDDEXT或GND。

八、規(guī)格參數(shù)

工作條件

文檔給出了K、B、Y三個等級的工作條件，包括內(nèi)部（核心）電源電壓、模擬（PLL）電源電壓、外部（I/O）電源電壓、輸入電壓、結(jié)溫等參數(shù)。

電氣特性

包括高電平輸出電壓、低電平輸出電壓、高電平輸入電流、低電平輸入電流、三態(tài)泄漏電流等參數(shù)。

封裝信息

處理器提供136球CSP_BGA和144引腳LQFP_EP封裝，文檔詳細介紹了封裝品牌信息、引腳配置和尺寸。

靜電放電（ESD）注意事項

該處理器是ESD敏感設(shè)備，盡管具有專利或?qū)Ｓ?a href="http://www.makelele.cn/tags/保護電路/" target="_blank">保護電路，但仍需采取適當(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

可參考“Estimating Power for the ADSP - 21362 SHARC Processors”（EE - 277）工程師筆記獲取詳細的熱和功率信息。

絕對最大額定值

列出了內(nèi)部（核心）電源電壓、模擬（PLL）電源電壓、外部（I/O）電源電壓、輸入電壓、輸出電壓擺幅、負載電容和結(jié)溫等絕對最大額定值，超過這些值可能會對設(shè)備造成永久性損壞。

時序規(guī)格

包括核心時鐘要求、電源啟動時序、時鐘輸入、復(fù)位、中斷、定時器、內(nèi)存讀寫、串行端口、輸入數(shù)據(jù)端口、并行數(shù)據(jù)采集端口、PWM、SRC、S/PDIF發(fā)射器和接收器、SPI接口以及JTAG測試訪問端口等的時序規(guī)格。

輸出驅(qū)動電流

文檔給出了處理器輸出驅(qū)動器的典型I - V特性曲線，展示了輸出驅(qū)動器的電流驅(qū)動能力與輸出電壓的關(guān)系。

測試條件

交流信號規(guī)格（時序參數(shù)）在文檔中詳細列出，包括輸出禁用時間、輸出啟用時間和電容負載等。時序測量基于信號在1.5 V電平的交叉點進行。

電容負載

輸出延遲和保持基于標(biāo)準(zhǔn)電容負載（所有引腳30 pF），文檔還展示了輸出延遲和保持隨負載電容的變化關(guān)系。

熱特性

處理器在指定的溫度范圍內(nèi)工作，文檔提供了BGA和LQFP_EP封裝的熱特性參數(shù)，可用于計算設(shè)備在應(yīng)用PCB上的結(jié)溫。

九、總結(jié)

ADSP - 2136x SHARC處理器憑借其強大的核心架構(gòu)、豐富的外設(shè)功能和出色的性能表現(xiàn)，為高性能音頻處理及其他相關(guān)應(yīng)用提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計過程中，工程師需要充分了解其各項特性和規(guī)格參數(shù)，合理選擇開發(fā)工具，注意ESD防護和電源管理等方面的問題，以確保處理器能夠穩(wěn)定、高效地運行。同時，ADI提供的豐富開發(fā)資源也為工程師的開發(fā)工作提供了有力的支持。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過類似處理器的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。