3. familia tms320 - pns.ac.tuiasi.ropns.ac.tuiasi.ro/doc/curs/prezentare_04.pdf · procesoare...

Procesoare Numerice Procesoare Numerice de de Semnal Semnal -- CURSCURS 11

3.3. FamiliaFamilia TMS320TMS320

FamiliaFamilia TMS320 aTMS320 a firmeifirmei Texas Instruments (TI)Texas Instruments (TI) cuprinde procesoare cuprinde procesoare numericenumerice dede semnalsemnal singlesingle--chipchip îîn virgulă fixăn virgulă fixă,, pepe 1616 bibiţţi i şşi i îîn virgulă n virgulă flotantăflotantă,, pepe 3232 bibiţţii ..

Flexibilitatea funcFlexibilitatea funcţţională ională şşi posibilităi posibilităţţile deosebiteile deosebitedede calculcalcul numericnumericfacfac dindin membrii familieimembrii familiei TMS320 alternativeTMS320 alternative necostisitoarenecostisitoare alealeprocesoarelorprocesoarelorbitbit --slice,slice,sausaualeale celorcelor VLSI fabricate laVLSI fabricate la comandă comandă. .

Această familie este ideală pentruAceastă familie este ideală pentru oo gamă largă gamă largă dede aplicaaplicaţţiiii ,, datorită datorită

următoarelor următoarelor calităcalităţţii ::•• arhitectur ă paralelă avansatăarhitectur ă paralelă avansată•• execuexecuţţieie de marede mare viteză viteză

•• set deset deinstrucinstrucţţiuni foarte flexibiliuni foarte flexibil•• flexibilitate funcflexibilitate func ţţionalăională•• cost cost eficienteficient ((raportraport cost /cost /performanperformanţţe foartee foarte bun).bun).


3.13.1 Prezentare generală Prezentare generală

ÎÎ nn 1982, TI a1982, TI aintrodus procesorulintrodus procesorul TMS32010TMS32010,, primulprimul DSPDSPdisponibil pe disponibil pe piapiaţţăă,, şşii care acare aprimit chiar primit chiar îîn acelan acelaşşii anan titlultitlul de "de "ProdusProdus alal anuluianului". ".

El aEl a constituit modelul viitoarelor generaconstituit modelul viitoarelor generaţţiiii aleale familieifamiliei TMS320 care,TMS320 care,având unavând un grad superior degrad superior deparalelizareparalelizare aa funcfuncţţionării ionării şşi seturii seturi dedeinstrucinstrucţţiuni specializate pentru prelucrarea numericăiuni specializate pentru prelucrarea numerică aa semnaluluisemnalului,, oferă astăzi posibilităoferă astăzi posibilităţţii dede execuexecuţţieie aa până până la la 50 MFLOPS50 MFLOPS ((milioanemilioane dedeoperaoperaţţii flotante pe secundăii flotante pe secundă),), sausau275 MOPS275 MOPS((milioanemilioane dede operaoperaţţii pe ii pe secundăsecundă) la) la variantele monoprocesor variantele monoprocesor şşi pestei peste2000 MOPS2000 MOPSlala ultimul ultimul şşi i cel mai performant membrucel mai performant membru alal familieifamiliei ,, multiprocesorulmultiprocesorul TMS320C80TMS320C80..

Optimizarea vitezeiOptimizarea vitezei dede funcfuncţţionareionare aa familieifamiliei TMS320 sTMS320 s--aa obobţţinut prin inut prin implementareaimplementareahardware ahardware a unor funcunor funcţţiiii realizate prinrealizate prin softwaresoftware sau sau microcodmicrocod lala alte familiialte familii dede microprocesoaremicroprocesoare..



ÎÎ n prezentn prezent,, familiafamilia TMS320TMS320 cuprindecuprinde 77 generageneraţţiiii : : TMS320C1x, TMS320C1x, TMS320C2x, TMS320C3x, TMS320C4x, TMS320C5x, TMS320C6xTMS320C2x, TMS320C3x, TMS320C4x, TMS320C5x, TMS320C6x şşiiTMS320C80.TMS320C80.ProcesoareleProcesoareledindin generageneraţţiileiile TMS320C1x, C2xTMS320C1x, C2xşşii C5xC5x sunt sunt îîn virgulă fixăn virgulă fixă,, celecele dindin generageneraţţiileiile TMS320C3xTMS320C3x şşii C4xC4x sunt sunt îîn virgulă n virgulă mobilămobilă,, iariar TMS320C80TMS320C80 este un multiprocesoreste un multiprocesor (cu 4(cu 4 procesoare procesoare numericenumerice dede semnal semnal şşi unuli unul RISC)RISC) îîn virgulă flotantăn virgulă flotantă..

Fiecare generaFiecare generaţţieie dede monoprocesoaremonoprocesoareaa familieifamiliei TMS320 areTMS320 areun nucleuun nucleudede unitate centrală unitate centrală şşi mai multe configurai mai multe configuraţţiiii dede memorie memorie şşi perifericei perifericeintegrateintegrate pe cippe cip,, realizate astfel realizate astfel îîncât să poată satisfacencât să poată satisfaceoo gamă cât mai gamă cât mai

largălargă dede necesită necesităţţi prei preţţ -- performanperformanţţăă..



Compatibilitatea limbajului surs ăCompatibilitatea limbajului surs ă de la ode la o generageneraţţieie dede procesoare procesoare îîn n virgul ă fixăvirgul ă fixă lala următoarea următoarea şşii de la ode la o generageneraţţieie dede procesoare procesoare îîn virgulă n virgulă mobilămobilă lala următoarea conservă investi următoarea conservă investiţţia făcutăia făcută dede utilizator utilizator îînn software,software, reducând astfel costul modernizării produselor realizatereducând astfel costul modernizării produselor realizate cucu circuitecircuite dindinfamiliafamilia TMS320.TMS320.

Fiecare membruFiecare membrualal familiei este familiei este îînsonsoţţitit de ode ogamă largăgamă largă dede instrumenteinstrumentedede dezvoltaredezvoltare, de la, de laseturiseturi ((kiturikituri )) ieftineieftine dede evaluareevaluare,, până până lala sistemesistemehardwarehardware şşii softwaresoftware complexecomplexe, care, carecuprindcuprind :: compilatoare compilatoare optimizatoare pentru limbajeoptimizatoare pentru limbaje dede nivel nivel îînaltnalt ,, depanatoaredepanatoarelala nivelnivel dede

limbaj sursălimbaj sursă (C(C sau asamblaresau asamblare),), simulatoaresimulatoare,, emulatoareemulatoare,, sistemesistemededeoperare operare îîn timpn timp realreal şşii software desoftware deaplicaaplicaţţieie.. Chiar Chiar şşi multiprocesoruli multiprocesorulTMS320C80TMS320C80dispunea dispunea îîncăncă de lade la lansarea sa oficială lansarea sa oficială dindin martiemartie 1994 de1994 de toată gama instrumentelortoată gama instrumentelorsoftware desoftware dedezvoltare dezvoltare şşii eraera îînsonsoţţitit dede plăci plăci

dede dezvoltare funcdezvoltare funcţţionaleionale dindin toate puncteletoate puncteledede vederevedere((realizaterealizate de firmade firmaLaughboroughLaughborough Sound ImagesSound ImagesLtdLtd .)..).


3.23.2 GeneraGeneraţţiaia TMS320C1x TMS320C1x -- IntroducereIntroducere

Această generaAceastă generaţţieie aa reprezentatreprezentat primaprima serieseriedede procesoareprocesoareDSPDSPdezvoltatedezvoltatede firma TIde firma TI ,,îîncepândncepândcucu primul dispozitiv lansat pe piaprimul dispozitiv lansat pe piaţţă ă îînn 1982, 1982, TMS32010TMS32010. .

DispozitiveleDispozitiveleC1x seC1x se bazează pe bazează pe oo arhitectur ă arhitectur ă îîn virgulă fixă pen virgulă fixă pe 1616 bibiţţii . .

Utilizarea arhitecturiiUtilizarea arhitecturii HarvardHarvard aa impus separarea magistralelorimpus separarea magistralelorde datede dateşşii de program,de program,îîn vederea cren vederea creşşterii paralelismului operaterii paralelismului operaţţiiloriilor .. OperaOperaţţiile iile îîntrntr --un singur ciclu pentru un singur ciclu pentru multiplicare sau pentru unitatea logicomultiplicare sau pentru unitatea logico--aritmetică asigură realizarea calculului aritmetică asigură realizarea calculului îîn timpn timprealreal pentru algoritmiipentru algoritmii DSPDSP şşii de control. de control.

DurataDurata standardstandard pentru multiplicare estepentru multiplicare este de 200ns. de 200ns.

O O logicălogică dede selecselecţţieie aa semnalelorsemnalelorI/OI/O furnizează furnizează 88 porturiporturi I/O,I/O, folosind magistralafolosind magistrala de de date de 16date de 16bibiţţii .. PorturilePorturile I/O permit oI/O permit o interfainterfa ţţare simplăare simplă cucu convertoareleconvertoareleADAD şşii DA,DA,deoarece acestea dispundeoarece acestea dispundede un semnalun semnaldede selecselecţţie separat faie separat faţţăă dede magistralamagistrala de date de date standard. standard.

ShifterulShifterul de control de 16de control de 16bibiţţi scalează datele i scalează datele îîn paraleln paralel cucu operaoperaţţiileiile ALU;ALU; datele sunt datele sunt deplasatedeplasatecucu până până la 16la 16 pozipoziţţii ii îîn acelan acelaşşi ciclu utilizati ciclu utilizat de ALU.de ALU. ShifterulShifterul cucu deplasare deplasare spre stângaspre stângacu 0, 1,cu 0, 1,sausau44 pozipoziţţii opereazăii operează dede asemenea asemenea îîn paraleln paralel cu ALU,cu ALU, pentrupentru aarealiza realiza îîmpreună operampreună operaţţiiii cucu îîntregi sauntregi sau cucu fracfracţţiiii ..


3.23.2 GeneraGeneraţţiaia TMS320C1x TMS320C1x -- Memoria si magistraleleMemoria si magistralele

ArhitecturaArhitectura HarvardHarvard modificată modificată aa dispozitivelordispozitivelor C1xC1x permite permite accesul simultan accesul simultan atâtatât lala memoriamemoria de date,de date,cât cât şşii lala ceaceade programde program.. Prin aceastaPrin aceasta, o, o extragereextrageredindinzonazona de programde program şşi unai una dindin zonazona de date potde date potavea loc avea loc îîn paraleln paralel,, astfel astfel îîncât ncât operaoperaţţiile aritmetice săiile aritmetice să se executese executeîîntrntr --un singur cicluun singur ciclu.. PunteaPuntea dede legătură legătură

dintre magistraladintre magistrala de programde program şşi ceai cea de datede datepermite stocarea coeficienpermite stocarea coeficienţţilor ilor îîn n memoriamemoria ROMROM şşi aducerea acestora i aducerea acestora îîn memorian memoria RAM de dateRAM de date pe durata pe durata

startării sistemuluistartării sistemului ..

MemoriaMemoria onon--chip de datechip de date şşii de programde program furnizează informa furnizează informaţţiiii interneinterne către către

CPU;CPU; memorie externă memorie externă RAMRAM şşii ROMROM poatepoate fifi interfainterfa ţţatăată la C1xla C1x pentru acele pentru acele aplicaaplicaţţiiii carecare solicită un spa solicită un spaţţiuiu extern deextern dememoriememorie program.program.

GeneraGeneraţţiaia C1xC1x oferă oferă o mareo mare varietatevarietate dede memoriememorie onon--chipchip,, incluzând incluzând dispozitivedispozitive cucu memoriememorie onon--chip OTP (Onechip OTP (One--Time Programmable)Time Programmable) sausau cucumemoriememorie ROM cuROM cu până până la 8la 8 KcuvinteKcuvinte de 16de 16 bibiţţii .. Majoritatea dispozitivelor Majoritatea dispozitivelor dispundispun de 4de 4 KcuvinteKcuvinte de 16de 16 bibiţţii dede adreseadrese de programde program externeexterne.. Dacă este Dacă este

necesarănecesară oo memorie externă mai memorie externă mai mare, C16mare, C16 oferă până oferă până la 64 dela 64 deKcuvinteKcuvinte de 16de 16bibiţţii dede adrese externeadrese externe..


3.23.2 GeneraGeneraţţiaia TMS320C1x TMS320C1x -- Memoria si magistraleleMemoria si magistralele

Tr ăsăturile specificeTr ăsăturile specifice aleale memoriei memoriei şşii aleale magistralelor dispozitivelormagistralelor dispozitivelorC1xC1x suntsunt::

�� Citiri Citiri şşi scrieri i scrieri îîntrntr --un singur cicluun singur ciclu�� Arhitectură Arhitectură HarvardHarvard modificată modificată::♦♦ MagistraleMagistrale separateseparatepentrupentru datedate şşi pentrui pentru programprogram♦♦ "" PuntePunte"" îîntre spantre spaţţiileiile de programde program şşii de datede date�� PânăPână la 8la 8 KcuvinteKcuvinte dede memoriememorie de program ROM onde program ROM on--chipchip�� 4 4 KcuvinteKcuvinte dede memoriememorie OTP OTP disponibiledisponibile��PânăPână la 64 dela 64 deKcuvinteKcuvinte dede memoriememorie programprogram externă externă..


3.23.2 GeneraGeneraţţiaia TMS320C1x TMS320C1x -- Operatii Operatii MACMAC

Exemplul arată Exemplul arată sumareasumarea a 4a 4 produseproduse carecare necesită necesită 1212 localocaţţii ii îîn memorian memoria programprogram şşiicare secare se execută execută îînn 1212 cicluricicluri . De. De notatnotat că că registrul produsregistrul produs de 32 dede 32 debibiţţi i şşi acumulatoruli acumulatorulde 32 dede 32 debibiţţi păstreazăi păstrează oo îînaltă precizie naltă precizie îîn timpul calcululuin timpul calculului ..


3.23.2 GeneraGeneraţţiaia TMS320C1x TMS320C1x -- Trăsături specificeTrăsături specifice

Dispozitivele generaDispozitivele generaţţieiiei C1xC1x dispundispun dede următoarele următoarele tr ăsături specificetr ăsături specifice.. ÎÎ n n paranteze suntparanteze suntindicateindicate trăsăturile particulare pentru anumite dispozitive trăsăturile particulare pentru anumite dispozitive

aleale generageneraţţieiiei..•• MemorieMemorie RAM de dateRAM de date programabilă programabilă onon--chip de 256 dechip de 256 decuvintecuvinte (144(144cuvintecuvinte la C10)la C10)•• MemorieMemorie de program ROM onde program ROM on--chip (1,5chip (1,5 KcuvinteKcuvinte la C10, 4la C10, 4KcuvinteKcuvinte la la C14, C15C14, C15şşii C17, 8C17, 8KcuvinteKcuvinte la C16)la C16)•• MemorieMemorie de program OTP onde program OTP on--chip de 4chip de 4KcuvinteKcuvinte•• ALU /ALU / acumulatoracumulator de 32 dede 32 debibiţţii•• Multiplicator paralelMultiplicator paralel 16 x 16 cu16 x 16 cuprodus peprodus pe32 de32 debibiţţii•• Multiplicare Multiplicare îîntrntr --un singur cicluun singur ciclu•• Unul până Unul până la 4la 4 timeretimere onon--chipchip pentru operapentru operaţţiiii de controlde control•• StivăStivă hardware cu 4hardware cu 4nivelenivele (8(8 nivelenivele la C16)la C16)•• Două registre auxiliareDouă registre auxiliare•• CanaleCanaledede intrare intrare şşii dede ieieşşireire de 4de 4cuvintecuvinte (la C14, C15(la C14, C15şşii C17)C17)•• Shifter cuShifter cu recircularerecirculare de 16 de 16 bibiţţii•• Stări Stări dede aaşşteptare pentru comunicateptare pentru comunicaţţiiii cucu memoriimemorii // perifericeperiferice offoff--chipchipmai lentemai lente..


3.23.2 GeneraGeneraţţiaia TMS320C1x TMS320C1x -- TMS320C10TMS320C10

TMS320C10TMS320C10 CaracteristiciCaracteristici::

•• 60 de 60 de instructiuni instructiuni de de uz uz general general si specifice si specifice DSPDSP

•• multiplicare intrmultiplicare intr --un singur un singur cicluciclu

•• registru registru cu cu recirculare recirculare de 16 de 16 bitibiti

•• intrerupere externa si pini intrerupere externa si pini de de intrare polarizatiintrare polarizati

•• 8 8 porturi porturi de I/O de 16 de I/O de 16 bitibiti

•• capsula capsula DIPDIP--40 40 pini sau pini sau PLCCPLCC--44 44 pinipini



TMS320C14TMS320C14DispozitivulDispozitivul C14 C14 combină combină nucleul arhitecturiinucleul arhitecturii DSP cu DSP cu multiplemultiple perifericeperiferice de control,de control,ceea ce permite optimizarea ceea ce permite optimizarea aplicaaplicaţţiiloriilor de control singlede control single--chipchip pe baza acestui dispozitivpe baza acestui dispozitiv..

ExistăExistă dede asemenea unasemenea unmanager demanager deevenimenteevenimente, , 1616 pinipiniI/O deI/O de uzuz generalgeneral şşi uni un port port serialserial asincronasincron. .

C14 C14 dispunedispunedede unun RAM onRAM on--chip de 256 dechip de 256 decuvintecuvinte de 16de 16bibiţţi i şşii de 4Kcuvinte de 16de 4Kcuvinte de 16bibiţţi i fiefie dede memoriememorie ROM/PROM ROM/PROM (OTP (OTP -- One Time One Time Programmable),Programmable), fiefie dedememoriememorie EPROM.EPROM.



TMS320C14TMS320C14 PerifericelePerifericele onon--chip chip includinclud ::

•• 4 4 timeretimere // numărătoare numărătoare,,

•• două timere două timere dede uzuz general de general de 1616 bibiţţii , ,

•• unun timertimer pentru portulpentru portul serial, serial,

•• unun watchdog timer.watchdog timer.



Perifericele luiPerifericele lui C14C14 sunt proiectate pentrusunt proiectate pentru aa acoperi necesită acoperi necesităţţileile I/OI/O pentru pentru aplicaaplicaţţiileiile de control.de control. Ele sunt mapate Ele sunt mapate îîn span spaţţiuliul dede memoriememorie I/OI/O şşi sunt accesate i sunt accesate prin intermediul unui registruprin intermediul unui registru dede selecselecţţieie aa bankuluibankului BSR (BankBSR (Bank--Select Register)Select Register)şşi prin instruci prin instruc ţţiuniiuni dede intrareintrare // ieieşşireire.. Aceste periferice operează fără interven Aceste periferice operează fără intervenţţiaiaCPU.CPU.

Watchdog Watchdog timerultimerul este utilizat pentrueste utilizat pentru aa preveni erorilepreveni erorile software.software. Dacă Dacă watchdogwatchdogtimerul nu este resetattimerul nu este resetatlala momentul potrivitmomentul potrivit ,, el trimiteel trimite oo îîntrerupere externăntrerupere externă care care sese utilizează utilizează dede obicei pentru resetarea procesoruluiobicei pentru resetarea procesorului..

PortulPortul I/O deI/O de uzuz generalgeneral are 16are 16pinipini I/OI/O individualiindividuali .. AceAceşşti piniti pini I/O pot fiI/O pot fi utilizautiliza ţţi i pentru monitorizarea pentru monitorizarea şşi controlul evenimentelor externei controlul evenimentelor externedindin cadrul sistemuluicadrul sistemului..

PortulPortul universaluniversal asincronasincron dede receprecepţţieie // transmisietransmisie (UART (UART -- Universal Universal Asynchronous Receiver / Transmitter)Asynchronous Receiver / Transmitter)aflataflat onon--chipchip este dublueste dublu--bufferat bufferat şşi i opereazăoperează cucu până până la 400la 400KbpsKbps ((kilobikilobi ţţi pe secundăi pe secundă)) îînn mod transceiver fullmod transceiver full--duplex.duplex.



ManagerulManagerul dede evenimenteevenimente constă constă dindin secsecţţiunileiunile dede compararecomparare şşii dede capturăcaptură, care, care

rulează fără intervenrulează fără intervenţţiaia CPU.CPU. SistemulSistemul dede compararecomparare compară fiecare dintre cele compară fiecare dintre cele 66registreregistre interne cuinterne cu oricare dintre timereleoricare dintre timerele onon--chip.chip. Dacă oricare dintre cantită Dacă oricare dintre cantităţţile ile comparate sunt egalecomparate sunt egale,, este lansat uneste lansat unsetset programabilprogramabil dede acacţţiuni pentruiuni pentru a seta,a seta,reseta reseta sau comuta valorile pe piniisau comuta valorile pe piniidede ieieşşire asociaire asociaţţii .. Acest sistem esteAcest sistem estedede obicei folosit pentruobicei folosit pentruaa creacrea oo ieieşşireire PWM (pulsePWM (pulse--width modulation,width modulation, modularemodulare aa lă lăţţimii impulsuluiimii impulsului ).).SistemulSistemul dede comparare dispunecomparare dispunedede unun mod specialmod specialpentru iepentru ieşşireairea PWM, carePWM, care crecreşşte te rezolurezoluţţiaia PWM la 40ns.PWM la 40ns.

SistemulSistemul dede captură captură realizează realizează oo funcfuncţţieie dede îînregistrarenregistrare aa până până la 4la 4 evenimente evenimente distinctedistincte.. Când unCând un pin depin de captură este comandat captură este comandat,, conconţţinutul unuia dintre timere este inutul unuia dintre timere este salvat salvat îîntrntr --oo memoriememorie FIFO cu 4FIFO cu 4 nivelenivele dede adâncimeadâncime.. Un exempluUn exemplu dede utilizareutilizare aamanageruluimanagerului dede evenimente este pentru unevenimente este pentru unmotormotor prevăzut prevăzut cucu unun indicator careindicator care

triggerează intrareatriggerează intrarea dede captură captură aa luilui C14 laC14 la fiecare rotafiecare rotaţţieie,, îîn timp cen timp ce C14C14 utilizează utilizează

datele timerului capturat pentrudatele timerului capturat pentru aa determina vitezadetermina viteza dede rotarotaţţie ie şşi pentrui pentru aa corecta corecta viteza prin ajustarea ieviteza prin ajustarea ieşşiriiirii PWM aPWM a sistemuluisistemului dede compararecomparare..



C15 C15 oferă unoferă un RAM onRAM on--chip chip de 256 dede 256 decuvintecuvinte de 16de 16bibiţţi i şşi uni un ROMROM sausauEPROM EPROM onon--chip de 4chip de 4KcuvinteKcuvinte de 16de 16bibiţţii . .

Ciclul instrucCiclul instruc ţţiune esteiune estede de 160ns160nssausaude 200ns (4 de 200ns (4 MIPS). MIPS).

C15 C15 este compatibil este compatibil îînn codcodobiect obiect şşii lala pinipini cu C10. cu C10.

Celelalte caracteristici sunt Celelalte caracteristici sunt similaresimilare cu C10.cu C10.



C16 C16 oferă unoferă un RAM onRAM on--chip de 256 dechip de 256 decuvintecuvintede 16de 16bibiţţi i şşi uni un ROM onROM on--chip de 8chip de 8KcuvinteKcuvinte de de 1616 bibiţţii . De. Deasemeneaasemeneaareare un domeniuun domeniu dede adrese adrese externeexternede 64de 64KcuvinteKcuvinte de 16de 16bibiţţii ((cel mai larg cel mai larg dintre toate dispozitiveledintre toate dispozitiveleC1x)C1x) pentru stocarea pentru stocarea unor programe mai mariunor programe mai mari. .

UnUn altalt avantaj avantaj îîl reprezintă l reprezintă stivastiva hardware cu 8hardware cu 8nivelenivele,,fafaţţăă dede cele numaicele numai44 nivele nivele câtcât sese regăseau regăseau lala alalţţi i membri ai acestei generamembri ai acestei generaţţiiiidede procesoareprocesoareDSP.DSP.

C16C16 este cel maieste cel mairapidrapid dispozitivdispozitiv alalgenerageneraţţieiiei C1xC1x,, realizândrealizând 8,7 MIPS8,7 MIPS ((ciclul ciclul instrucinstrucţţiuneiune de 114ns).de 114ns).EsteEstedede asemenea asemenea compatibil compatibil îînn codcod obiect obiect şşii lala pinipini cu C10.cu C10.

3. familia tms320 - pns.ac.tuiasi.ropns.ac.tuiasi.ro/doc/curs/prezentare_04.pdf · procesoare...

Documents