ADSP-2186M：高性能數(shù)字信號處理芯片的全方位解析

在數(shù)字信號處理（DSP）領(lǐng)域，ADSP - 2186M 是一款備受關(guān)注的單芯片微計算機，它專為 DSP 和其他高速數(shù)值處理應(yīng)用而優(yōu)化。下面，我們就來深入了解這款芯片的各個方面。

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一、芯片概述

ADSP - 2186M 結(jié)合了 ADSP - 2100 家族的基礎(chǔ)架構(gòu)，集成了兩個串行端口、16 位內(nèi)部 DMA 端口、字節(jié) DMA 端口、可編程定時器、Flag I/O、強大的中斷功能以及片上程序和數(shù)據(jù)存儲器。它擁有 40K 字節(jié)的片上內(nèi)存，包括 8K 字（24 位）的程序 RAM 和 8K 字（16 位）的數(shù)據(jù) RAM，還具備掉電電路以滿足電池供電便攜式設(shè)備的低功耗需求。該芯片有 100 引腳 LQFP 封裝和 144 球 Mini - BGA 封裝可供選擇。

此外，ADSP - 2186M 支持新指令，如位操作（位設(shè)置、位清除、位切換、位測試）、新的 ALU 常量、新的乘法指令（× 平方）、有偏舍入、無結(jié)果 ALU 操作、I/O 內(nèi)存?zhèn)鬏敽腿种袛嗥帘蔚龋蟠笤鰪娏似潇`活性。

二、架構(gòu)特點

（一）計算單元

芯片包含三個獨立的計算單元：ALU、乘法器/累加器（MAC）和移位器。這些單元直接處理 16 位數(shù)據(jù)，并支持多精度計算。ALU 執(zhí)行標(biāo)準的算術(shù)和邏輯運算，還支持除法原語；MAC 執(zhí)行單周期乘法、乘加和乘減操作，并具有 40 位的累加功能；移位器執(zhí)行邏輯和算術(shù)移位、歸一化、反歸一化和導(dǎo)出指數(shù)操作，可有效實現(xiàn)數(shù)字格式控制。

（二）程序和數(shù)據(jù)處理

強大的程序序列器和兩個專用數(shù)據(jù)地址生成器確保了操作數(shù)的高效傳遞。序列器支持單周期的條件跳轉(zhuǎn)、子程序調(diào)用和返回，通過內(nèi)部循環(huán)計數(shù)器和循環(huán)棧，可實現(xiàn)零開銷的循環(huán)代碼執(zhí)行。兩個數(shù)據(jù)地址生成器（DAGs）為同時從數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器中獲取雙操作數(shù)提供地址，每個 DAG 維護和更新四個地址指針，并可實現(xiàn)自動模尋址。

（三）內(nèi)部總線

芯片通過五條內(nèi)部總線實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，包括程序存儲器地址（PMA）總線、程序存儲器數(shù)據(jù)（PMD）總線、數(shù)據(jù)存儲器地址（DMA）總線、數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)（DMD）總線和結(jié)果（R）總線。地址總線和數(shù)據(jù)總線分別共享外部地址總線和外部數(shù)據(jù)總線，使內(nèi)存能夠擴展到片外。

（四）端口功能

1. 16 位內(nèi)部 DMA 端口（IDMA 端口）：可用于與外部系統(tǒng)進行通信，提供對 DSP 片上程序和數(shù)據(jù) RAM 的透明直接訪問。
2. 字節(jié) DMA 端口（BDMA 端口）：提供與低成本字節(jié)寬內(nèi)存的接口，可直接尋址多達 4 兆字節(jié)的外部 RAM 或 ROM，用于存儲程序覆蓋或數(shù)據(jù)表。

（五）中斷和串行端口

ADSP - 2186M 可響應(yīng) 11 個中斷，包括最多 6 個外部中斷和 7 個內(nèi)部中斷。兩個串行端口提供完整的同步串行接口，具有可選的硬件壓擴功能和多種數(shù)據(jù)傳輸和接收模式。

三、低功耗模式

ADSP - 2186M 具有三種低功耗模式，可顯著降低設(shè)備在待機條件下的功耗：

（一）掉電模式

處理器可通過硬件或軟件控制進入極低功耗的休眠狀態(tài)，具有快速恢復(fù)、支持外部時鐘、支持晶體操作等特點，還可通過掉電引腳或軟件掉電強制位啟動，掉電中斷可作為不可屏蔽的邊緣敏感中斷。

（二）空閑模式

處理器在低功耗狀態(tài)下無限期等待，直到發(fā)生未屏蔽的中斷，此時繼續(xù)執(zhí)行 IDLE 指令后的指令，IDMA、BDMA 和自動緩沖周期竊取仍會發(fā)生。

（三）慢空閑模式

IDLE 指令得到增強，可減慢處理器的內(nèi)部時鐘信號，進一步降低功耗。通過在 IDLE 指令中指定可選的除數(shù)，可將時鐘頻率降低為正常時鐘速率的可編程分數(shù)。

四、系統(tǒng)接口

（一）時鐘信號

芯片可由晶體或 TTL 兼容的時鐘信號提供時鐘。CLKIN 輸入在正常操作期間不能停止、更改或低于指定頻率，除非處于掉電狀態(tài)。外部時鐘應(yīng)是 TTL 兼容信號，頻率為指令速率的一半。芯片還可使用外部晶體，通過 CLKIN 和 XTAL 引腳連接，并需連接兩個電容。

（二）復(fù)位

RESET 信號用于啟動 ADSP - 2186M 的主復(fù)位，在加電序列期間必須斷言該信號以確保正確初始化。復(fù)位會設(shè)置所有內(nèi)部堆棧指針為空棧狀態(tài)，屏蔽所有中斷，并清除 MSTAT 寄存器。

（三）電源供應(yīng)

芯片具有獨立的內(nèi)部（VDDINT）和外部（VDDEXT）電源供應(yīng)連接。內(nèi)部電源必須滿足 2.5V 要求，外部電源可連接到 2.5V 或 3.3V 電源。所有外部電源引腳必須連接到同一電源，所有輸入和 I/O 引腳可承受高達 3.6V 的輸入電壓。

（四）操作模式

1. 內(nèi)存模式選擇：通過 Mode C 引腳在芯片復(fù)位期間選擇內(nèi)存模式，有被動配置和主動配置兩種方法。
2. IACK 配置：在不同的 Mode D 和主機模式下，IACK 具有不同的特性。

（五）內(nèi)存架構(gòu)

1. 程序存儲器：在全內(nèi)存模式下，是 24 位寬的空間，可存儲指令操作碼和數(shù)據(jù)，芯片有 8K 字的片上程序存儲器 RAM，并可通過外部數(shù)據(jù)總線訪問多達兩個 8K 的外部內(nèi)存覆蓋空間；在主機模式下，可訪問所有內(nèi)部內(nèi)存，但外部覆蓋訪問受單個外部地址線（A0）限制。
2. 數(shù)據(jù)存儲器：在全內(nèi)存模式下，是 16 位寬的空間，用于存儲數(shù)據(jù)變量和內(nèi)存映射控制寄存器，芯片有 8K 字的片上數(shù)據(jù)存儲器 RAM，部分空間用于 32 個內(nèi)存映射寄存器，還支持通過外部數(shù)據(jù)總線訪問多達兩個 8K 的外部內(nèi)存覆蓋空間；在主機模式下，可訪問所有內(nèi)部內(nèi)存，外部覆蓋訪問受單個外部地址線（A0）限制。
3. 內(nèi)存映射寄存器：ADSP - 2186M 有三個與其他 ADSP - 21xx 系列 DSP 不同的內(nèi)存映射寄存器，提供了等待狀態(tài)和 BMS 控制功能。
4. I/O 空間：支持一個額外的外部內(nèi)存空間，即 I/O 空間，用于連接外設(shè)或總線接口 ASIC 數(shù)據(jù)寄存器，支持 2048 個位置的 16 位寬數(shù)據(jù)。
5. 復(fù)合內(nèi)存選擇（CMS）：可編程的內(nèi)存選擇信號，可組合多個內(nèi)存選擇信號的功能。
6. 字節(jié)內(nèi)存選擇（BMS）：BMS 禁用功能與 CMS 引腳結(jié)合，可在字節(jié)內(nèi)存空間中使用多個內(nèi)存。
7. 字節(jié)內(nèi)存：是一個雙向的 8 位寬外部內(nèi)存空間，用于存儲程序和數(shù)據(jù)，通過 BDMA 功能訪問，支持四種不同的數(shù)據(jù)格式。
8. 內(nèi)部內(nèi)存 DMA 端口（IDMA 端口）：提供主機系統(tǒng)與 ADSP - 2186M 之間的高效通信方式，可訪問 DSP 的片上程序和數(shù)據(jù)存儲器。

（六）引導(dǎo)加載

芯片有兩種自動加載內(nèi)部程序存儲器的機制，通過 Mode A、B 和 C 配置位控制。當(dāng)指定 BDMA 引導(dǎo)時，芯片會啟動 BDMA 引導(dǎo)序列；也可通過 IDMA 端口引導(dǎo)程序。

（七）總線請求和總線授予

芯片可將數(shù)據(jù)和地址總線的控制權(quán)讓給外部設(shè)備。當(dāng)外部設(shè)備需要訪問內(nèi)存時，斷言總線請求（BR）信號，芯片在滿足條件時會響應(yīng)，三態(tài)化數(shù)據(jù)和地址總線及輸出驅(qū)動器，斷言總線授予（BG）信號，并暫停程序執(zhí)行。

（八）標(biāo)志 I/O 引腳

芯片有八個通用可編程輸入/輸出標(biāo)志引腳，由兩個內(nèi)存映射寄存器控制。此外，還有五個固定模式標(biāo)志。

五、指令集

ADSP - 2186M 的匯編語言指令集采用代數(shù)語法，易于編碼和閱讀。每個指令可在單個指令周期內(nèi)執(zhí)行，語法是 ADSP - 2100 家族匯編語言的超集，與其他家族成員完全兼容。具有 16 個條件代碼，支持多函數(shù)指令，可在單個指令周期內(nèi)并行執(zhí)行算術(shù)指令和最多兩次取數(shù)或一次寫入操作。

六、開發(fā)系統(tǒng)

（一）開發(fā)軟件

ADSP - 2100 家族開發(fā)軟件為 ADSP - 2186M 提供了一套完整的軟硬件系統(tǒng)開發(fā)工具，包括系統(tǒng)構(gòu)建器、匯編器、鏈接器和模擬器等。

（二）EZ - KIT Lite

這是一個硬件/軟件套件，為 ADSP - 218x 家族提供了完整的評估環(huán)境，包括基于 ADSP2189M 的評估板、PC 監(jiān)控軟件以及匯編器、鏈接器、模擬器和 PROM 分割器軟件。

（三）ADSP - 218x EZ - ICE? 仿真器

用于 ADSP - 2186M 系統(tǒng)的硬件調(diào)試，芯片集成了片上仿真支持和 14 引腳 ICE - Port 接口，提供了更簡單的目標(biāo)板連接方式。

七、設(shè)計 EZ - ICE 兼容系統(tǒng)

（一）ICE - Port 接口

芯片的 ICE - Port 接口由特定的引腳組成，這些引腳僅在仿真期間使用，無需上拉或下拉電阻，信號走線應(yīng)盡可能短。

（二）目標(biāo)板連接器

目標(biāo)系統(tǒng)需要有一個 14 引腳的連接器來接受 EZ - ICE 的在線探頭，該連接器有特定的規(guī)格要求。

（三）目標(biāo)內(nèi)存接口

目標(biāo)系統(tǒng)的內(nèi)存接口應(yīng)符合數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的最壞情況設(shè)備時序要求和開關(guān)特性。

（四）目標(biāo)系統(tǒng)接口信號

EZ - ICE 仿真會對系統(tǒng)信號產(chǎn)生一些影響，設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)考慮這些變化。

八、規(guī)格參數(shù)

（一）推薦工作條件

包括不同等級下的電源電壓、輸入電壓和環(huán)境溫度范圍。

（二）電氣特性

涵蓋輸入輸出電壓、電流、電容等參數(shù)。

（三）絕對最大額定值

規(guī)定了芯片所能承受的最大應(yīng)力。

（四）時序規(guī)格

包括時鐘信號、復(fù)位、中斷和標(biāo)志、總線請求 - 總線授予、內(nèi)存讀寫、串行端口、IDMA 地址鎖存等方面的時序要求和開關(guān)特性。

（五）環(huán)境條件

給出了不同封裝形式下的熱阻參數(shù)。

（六）功耗

提供了計算總功耗的方法和示例。

（七）輸出驅(qū)動電流

展示了輸出驅(qū)動器的典型 I - V 特性曲線。

（八）電容負載

給出了輸出上升時間和有效延遲或保持時間與負載電容的關(guān)系曲線。

（九）測試條件

定義了輸出禁用時間和輸出啟用時間的測量方法。

九、引腳描述

（一）通用模式引腳

包括復(fù)位、總線請求、總線授予、內(nèi)存選擇等引腳的功能。

（二）內(nèi)存接口引腳

根據(jù)不同的操作模式（全內(nèi)存模式和主機模式），引腳具有不同的功能。

（三）未使用引腳的端接

給出了未使用引腳的推薦端接方法。

十、總結(jié)

ADSP - 2186M 憑借其強大的計算能力、豐富的功能、靈活的架構(gòu)和低功耗特性，在數(shù)字信號處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。無論是在通信、音頻處理還是工業(yè)控制等領(lǐng)域，它都能為工程師提供一個高效、可靠的解決方案。在實際設(shè)計中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇芯片的操作模式、配置引腳和設(shè)置參數(shù)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時，在使用開發(fā)工具和進行系統(tǒng)設(shè)計時，要注意遵循相關(guān)的規(guī)范和要求，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用 ADSP - 2186M 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。