深度解析ADSP-2126x：高性能音頻處理的理想之選

在當今的電子領(lǐng)域，音頻處理技術(shù)不斷發(fā)展，對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，我們就來深入了解一下這款處理器。

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性能卓越，滿足音頻處理需求

ADSP-2126x是一款32位/40位浮點處理器，專為高性能音頻處理進行了優(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，有效降低系統(tǒng)成本。

在性能方面，ADSP-2126x表現(xiàn)出色。以200 MHz運行時，它在多種基準算法上展現(xiàn)出了強大的處理能力。例如，1024點復(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。通過兩個計算單元，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。采用最先進的高速CMOS工藝，在200 MHz時指令周期時間為5 ns，150 MHz時為6.6 ns。借助SIMD計算硬件，200 MHz運行時可實現(xiàn)1200 MFLOPS，150 MHz運行時為900 MFLOPS。

架構(gòu)獨特，提升處理效率

SIMD計算引擎

ADSP-2126x包含兩個處理單元，作為單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）引擎運行。這兩個處理單元分別為PEX和PEY，每個都包含ALU、乘法器、移位器和寄存器文件。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)，這種架構(gòu)在執(zhí)行數(shù)學(xué)密集型音頻算法時非常高效。同時，進入SIMD模式會使內(nèi)存與處理單元之間的數(shù)據(jù)帶寬翻倍，以滿足計算需求。

獨立并行計算單元

每個處理單元內(nèi)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，并且相互并行排列，最大限度地提高了計算吞吐量。單多功能指令可以同時執(zhí)行并行的ALU和乘法器操作，在SIMD模式下，這種并行操作會在兩個處理單元中同時發(fā)生。這些計算單元支持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

每個處理單元都包含一個通用數(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）的寄存器文件，結(jié)合ADSP-2126x增強的哈佛架構(gòu)，允許計算單元和內(nèi)部內(nèi)存之間實現(xiàn)無約束的數(shù)據(jù)流動。PEX中的寄存器稱為R0 - R15，PEY中的寄存器稱為S0 - S15。

單周期取指令和四個操作數(shù)

ADSP-2126x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

片上指令緩存使處理器能夠進行三總線操作，以獲取一條指令和四個數(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)允許高效編程延遲線和其他數(shù)字信號處理所需的數(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）。DAGs自動處理地址指針回繞，減少開銷，提高性能，并簡化實現(xiàn)。循環(huán)緩沖區(qū)可以在任何內(nèi)存位置開始和結(jié)束。

靈活的指令集

48位指令字可容納各種并行操作，便于簡潔編程。例如，ADSP-2126x可以在一個指令中，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。

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。每個內(nèi)存塊都可以配置為不同的代碼和數(shù)據(jù)存儲組合，并且是雙端口的，允許核心處理器和I/O處理器在單個周期內(nèi)獨立訪問。雙端口內(nèi)存與三個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。

DMA控制器

片上DMA控制器允許零開銷的數(shù)據(jù)傳輸，無需處理器干預(yù)。它獨立于處理器核心運行，在核心執(zhí)行程序指令的同時進行DMA操作。DMA傳輸可以在ADSP-2126x的內(nèi)部內(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行。ADSP-2126x最多提供22個DMA通道，包括一個用于SPI接口、12個通過串行端口、8個通過輸入數(shù)據(jù)端口和一個通過處理器的并行端口。程序可以通過DMA傳輸下載到ADSP-2126x。此外，DMA還具有在傳輸完成時生成中斷和DMA鏈功能，用于自動鏈接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。通過信號路由單元（SRU）進行連接，SRU是一個矩陣路由單元（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還包括六個串行端口、兩個精密時鐘發(fā)生器（PCGs）、一個輸入數(shù)據(jù)端口（IDP）、六個標志輸出和六個標志輸入以及三個定時器。IDP為ADSP-2126x核心提供了額外的輸入路徑，可以配置為八個I2S或串行數(shù)據(jù)通道，或七個通道加一個20位寬的同步并行數(shù)據(jù)采集端口。每個數(shù)據(jù)通道都有自己獨立于ADSP-2126x串行端口的DMA通道。

串行端口

ADSP-2126x具有六個全雙工同步串行端口，為各種數(shù)字和混合信號外設(shè)提供了廉價的接口，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、一個時鐘和幀同步組成。數(shù)據(jù)線可以編程為發(fā)送或接收，每個數(shù)據(jù)線都有自己的專用DMA通道。所有六個SPORTs啟用時，串行端口支持多達24個發(fā)送或24個接收通道的音頻數(shù)據(jù)，或六個每幀128通道的全雙工TDM流。串行端口的運行速度最高可達DSP核心時鐘速率的四分之一，200 MHz核心時每個端口的最大數(shù)據(jù)速率為50M位/秒，150 MHz核心時為37.5M位/秒。串行端口數(shù)據(jù)可以通過專用DMA自動傳輸?shù)狡蟽?nèi)存和從片上內(nèi)存?zhèn)鬏敗Ｃ總€串行端口可以與另一個串行端口配合使用，提供TDM支持。串行端口支持四種模式：標準DSP串行模式、多通道（TDM）模式、I2S模式和左對齊樣本對模式。

串行外設(shè)（兼容）接口

SPI是一種行業(yè)標準的同步串行鏈路，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、一個設(shè)備選擇引腳和一個時鐘引腳組成，是一個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)境中運行，通過與多達四個其他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)實現(xiàn)還具有可編程的波特率，200 MHz核心時鐘時最高可達50 MHz，150 MHz核心時鐘時最高可達37.5 MHz，以及可編程的時鐘相位和極性。SPI兼容端口使用開漏驅(qū)動器，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)傳輸速率為核心時鐘速度的三分之一。例如，200 MHz時鐘速率相當于66M字節(jié)/秒，150 MHz時鐘速率相當于50M字節(jié)/秒。DMA傳輸用于在內(nèi)部內(nèi)存和外設(shè)之間移動數(shù)據(jù)，通過并行端口寄存器的讀寫功能也可以方便地訪問核心。RD、WR和ALE（地址鎖存使能）引腳是并行端口的控制引腳。

定時器

ADSP-2126x共有四個定時器：一個核心定時器能夠生成周期性軟件中斷，三個通用定時器可以生成周期性中斷，并可以獨立設(shè)置為以下三種模式之一：脈沖波形生成模式、脈沖寬度計數(shù)/捕獲模式和外部事件看門狗模式。核心定時器可以配置為使用FLAG3作為定時器過期輸出信號，每個通用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：一個6位配置寄存器、一個32位計數(shù)寄存器、一個32位周期寄存器和一個32位脈沖寬度寄存器。一個單一的控制和狀態(tài)寄存器可以獨立啟用或禁用所有三個通用定時器。

ROM安全

ADSP-2126x具有ROM安全功能，通過防止在啟用時從內(nèi)部代碼進行未經(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，DSP不會加載任何外部代碼，僅從內(nèi)部SRAM/ROM執(zhí)行。此外，DSP不能通過JTAG端口自由訪問。每個客戶將被分配一個唯一的64位密鑰，必須通過JTAG或測試訪問端口掃描輸入。設(shè)備將忽略錯誤的密鑰，只有在掃描正確的密鑰后，仿真功能和外部啟動模式才可用。

程序啟動

ADSP-2126x的內(nèi)部內(nèi)存在系統(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。啟動模式由啟動配置（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)部時鐘。上電時，CLK_CFG1 - 0引腳用于選擇16:1、8:1和3:1的比率。啟動后，可以通過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)部時鐘發(fā)生器PLL供電。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘，建議PCB設(shè)計在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。

開發(fā)工具支持

ADI為ADSP-2126x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）

ADI提供了兩種用于C/C++軟件開發(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，是未來處理器（包括多核設(shè)備）的首選IDE。它無縫集成了可用的軟件插件，支持實時操作系統(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實時操作系統(tǒng)和開源TCP/IP堆棧。需要注意的是，VisualDSP++將不再支持未來的ADI處理器。

EZ-KIT Lite評估板和套件

ADI提供了廣泛的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。還有各種EZ-Extenders?子卡，提供額外的專業(yè)功能，如音頻和視頻處理。ADI還提供了一系列EZ-KIT Lite評估套件，每個套件包括一個EZ-KIT Lite評估板、下載可用IDE評估版本的說明、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，還支持對板上Flash設(shè)備進行電路編程，以存儲用戶特定的啟動代碼，實現(xiàn)獨立操作。

軟件插件

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

產(chǎn)品規(guī)格與注意事項

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)不同的等級有所不同，K級為0 - +70 °C，B級為 - 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，對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)都有詳細的說明。

ESD注意事項

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

最大功耗和絕對最大額定值

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

時序規(guī)格

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

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