ADI 发布 SHARC 处理器白皮书

2009年09月24日15:50:27 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：Paul Wheeler，GP-DSP 部日本区域总监。

全球领先的高性能信号处理解决方案供应商 Analog Devices, Inc. 较新发布 SHARC 处理器白皮书 -- SHARC 处理器的起源和演进。具体内容如下：

1. 引言

说到要求超高性能的前沿应用，就不得不提起ADI公司的SHARC处理器。随着更高动态范围、更高性能和更低成本等市场压力的与日俱增，各种应用对浮点处理器的需求也在不断增加。本文将介绍第一款SHARC处理器背后的历史，并讨论其架构的创新，这使得这款处理器在18年的数字信号处理历史中一直处于领先的地位。

2．SHARC 处理器的历史 -- 第一步

“SHARC”是超级哈佛架构 (Super Harvard ARChitecture) 的缩写，是 ADI 公司为他们的浮点处理器起的名字。SHARC 处理器在标准哈佛架构基础上作了改进，不仅方便了PM (程序存储器)总线上的数据传送，并通过增加一个指令缓存优化了基于紧密循环的计算过程的吞吐性能。改进后的架构能够同时存取数据和系数，并同时从指令缓存执行所选的指令，从而高效地实现了处理器的三总线操作模式。

大家知道，SHARC 处理器较早起源于 ADSP-21020。这个浮点单指令单数据 (SISD) DSP 实际上是一个不带嵌入式存储器或外设的独立计算内核。PM 和 DM（数据存储器）存储空间是通过连接到 SRAM 芯片的外部总线进行访问的，通过 JTAG 接口对处理器进行编程和调试。

ADSP-21020 可以在 33MHz 时钟频率下工作，执行单周期指令。ADSP-21020 可以利用80位累加器完成32位或40位浮点和32位定点运算，是 ADI 公司在1991年推向市场的突破性产品。这种内核技术是 ADI 公司对浮点性能和创新做出承诺的起始点。

ADSP-21020架构

ADSP-21020评估系统：注意用于 PM 和 DM 空间的外部 DIP SRAM 组

集成与创新：SHARC 的诞生

第一款真正的 SHARC 处理器是 ADSP-21060。ADI公司在ADSP-21020内核产品的基础上开发出了一个完全集成的处理器，其中包括了用于控制集成外设的 DMA 流量的片上SRAM和I/O处理器。

ADSP-21060 浮点处理器是1994年进入市场的，当时被认为是DSP性能和创新方面的顶尖水平。

SHARC 内核能够在一个周期内以高达 40MHz 的速度执行计算，并且增加了 I/O 处理器，能够在不增加任何内核开销的条件下，在外设和双端口 4Mb SRAM 存储器之间高速传输数据。

为了进一步提高较终用户的系统性能和可扩展性，ADI 设计团队着手创建允许多处理器系统能共享数据并且开销很小的机制。在外部端口逻辑中增加了一个簇总线控制器，可以无缝地进行处理器间的并行数据通信，每个簇较多可以有6个处理器。这种突破性技术允许系统架构师以高达 240MBps 的带宽从主处理器向指定从处理器的内存直接传送大量数据，或使用广播模式向簇中的所有从器件直接发送数据。

使用 ADI 的链路端口专利技术还能实现处理器间的高速通信。每个 ADSP-21060 集成了6个独立的链路端口用于点到点通信，因此可以实现额外的 240MBps 的 I/O 带宽。

第一代 SHARC ADSP-21062 评估平台

由于具有这种真正平衡的架构和扩展功能，SHARC 处理器被广泛用于运算强度大的应用，如医疗成像、军事雷达和电子游戏机。

也许让人不敢相信，具有这种功能的处理器在15年前就推向市场了，但让许多人更加惊奇的是，这种处理器目前还在继续为用户所用！这是 SHARC 架构性能的良好扩展性以及 ADI 公司对质量和用户满意做出承诺的较好证明。

第二代 SHARC 处理器将处理性能提升到了新的层次，它将内核架构扩展为单指令多数据(SIMD)系统，并将内核时钟频率提高到 100MHz。ADSP-2116x 系列处理器保持了与 ADSP-2106x SISD 处理器的源代码的完全兼容性，而且经过少量代码修改就能让用户发挥新增加的并行运算单元(寄存器文件 + 乘法器 + ALU + 桶式移位器)的作用，与上一代 SHARC 相比可以将周期性能指标提高一倍。

为了在不降低周期性能的条件下方便到这个新增加的运算单元的数据传送，内部的 PM 和 DM 数据总线宽度都增加到了64位，同时在ADSP-21161上集成了48位宽 100MHz SDRAM 控制器来增加 I/O 数据传送带宽，从而能够实现高达 600MBps 带宽的数据传送能力。

就像上一代 SISD SHARC 一样，第二代 SHARC 保留了支持簇总线系统架构的多处理器无胶合连接，以及通过链路端口的点到点连接，使性能升级路线图更加简单清晰。

就像上一代 SISD SHARC 一样，第二代 SHARC 系列器件被医疗、工业和军事应用所广泛采用，而且由于额外集成了支持时分复用 (TDM) 和 I2S 格式的串行端口 (SPORT)，专业音响和高端消费/汽车音响设备很快地利用到了该处理器的浮点运算提供的大动态范围优势。

第三代 SHARC 处理器开始跳出多处理器应用空间，主动迎接新的挑战。由于在音频应用中具有明显的浮点处理优势，SHARC 技术开发的重点开始转向以较低系统成本努力增加片上处理功能。

以这个目标开发并推向市场的第一批处理器是 ADSP-2126x 系列。就像 ADSP-2116x 一样，ADSP-2126x 采用 SIMD 架构使运算性能较大化。除了将内核性能翻倍达到200MHz外，ADSP-21266处理器还是 SHARC 系列中首个内置片上掩膜 ROM 的产品。集成 4Mb ROM 降低了系统复杂性和成本，将曾经给人们留下“高成本”印象的浮点型 DSP 推向了消费类音频领域。

第三代 SHARC 中引入的 DAI 能显著减少引脚数量和降低成本的例子

为了进一步降低硬件系统设计的复杂性，ADI 公司开发出了名为“数字应用接口”(DAI)的创新性外设。与以前的 SHARC 和同类竞争性产品将引脚功能固定下来不同，DAI 允许用户将任何外设功能分配到他们想要的任意一个外部引脚。对于音频系统来说，这意味着当系统输入输出要求发生改变时，音频时钟域可以随时通过软件分配到引脚并路由到串行端口。这种灵活性可以显著减少为了支持特殊系统规范所需的外部引脚数量，有助于硬件设计的简化，帮助用户进一步降低成本。

ADSP-2136x 继承了 ADSP-2126x 节省成本的优点，并增加了先进的音频信号链集成方法。内核性能提高了60%以上，达到 333MHz，内部 SRAM 可增加到 3Mb。另外还集成了许多针对音频的外设，如高性能异步采样率转换器 (ASRC)、SPDIF 收发器和 DTCP 加密引擎，从而进一步优化了可编程性能和音频系统 BOM 成本，巩固了 ADI 在音频市场中的领导地位。在这一系列的高性能产品中还集成了工作频率高达 166MHz 的32位 SDRAM 接口，以增加 I/O 带宽，同时有利于数据密集应用使用批量生产的存储器。

基于这种突破性的音频系统集成和性价比领先优势，第三代 SHARC 系列不仅在专业音频领域，而且在消费音频应用(如家庭影院系统、AV 放大器)中得到了广泛应用，为新一代高清音频标准 (DTS Master Audio和Dolby Tru-HD) 推向市场发挥了重要作用。

第四代 SHARC 系列 -- ADSP-2146x

第四代 SHARC：ADSP-2146x 架构框图

第三代SHARC 处理器在优化性价比方面取得了成功，推动浮点处理器进入了对成本敏感的消费类应用，而这类应用曾被人们认为是不可能使用昂贵的浮点处理器的。

ADI 公司现在面临着一个有意思的挑战：如何进一步改进具备优异性价比的浮点处理器？

在定义第四代处理器时，产品开发团队注重的是核心价值，正是它们使得 SHARC 一直处于浮点 DSP 技术的前沿：

    -- 市场领先性能
    -- 架构平衡
    -- 性能可扩展性
    -- 智能集成

下面将详细介绍上述每个关键的方面。

ADSP-2146x 性能增强

在 ADSP-2136x 系列内核改进的基础上，ADI 的 SHARC 开发团队制定了更高的性能目标，并采用台积电 (TSMC) 的 65nm 硅工艺继续优化性能和成本平衡。通过仔细的工程设计和规划，ADI 在2008年11月正式发布了ADSP-2146x 系列处理器，其内核性能可达 450MHz，与较接近的竞争产品相比几乎高出30%。然而，ADI 设计团队并不满足于仅仅增强性能，开始寻求创新的方式来大幅度提高运算性能，同时对功耗和成本的影响降至较小。

许多工程师利用浮点处理器提供的宽动态范围实现各种算法，如图案检测、数据压缩/解压缩、加密/解密和自适应滤波。在其中的许多运算密集型算法中，快速傅里叶变换 (FFT)、有限冲击响应 (FIR) 滤波器和无限冲激响应 (IIR) 滤波器等一些基本的信号处理单元得到了广泛使用，并作为大多数数字信号处理应用的基础。专注于这些内核信号处理构建模块的 ADI 公司开始将这些功能集成进 2146x DMA 架构中，以便进

ADI 发布 SHARC 处理器白皮书

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