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單片機與DSP結(jié)合的dsPIC芯片
摘要：介紹一款結(jié)合16位單片機控制特點和DSP高速運算優(yōu)點的新型芯片——dsPIC，對比分析它與PIC16F87X系列單片機之間結(jié)構(gòu)功能的差異。關(guān)鍵詞：單片機 PIC DSP dsPIC
微電子技術(shù)大規(guī)模甚至超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展日新月異，計算機芯片技術(shù)獲得了高速發(fā)展。構(gòu)成這樣單片機，亦是不斷更新?lián)Q代，朝著高速化、通用化、不斷專用化和提高性價比以及模擬/數(shù)字混合集成等方向發(fā)展。
熟悉單片機的用戶，對于PIC已不再陌生了。由美國Microchip公司推出的PIC系列單片機產(chǎn)品，采用了RISC結(jié)構(gòu)，不但解決了傳統(tǒng)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)單片機的“瓶頸”問題，并以高速度、低電壓、低功耗、大電流驅(qū)動能力和低價位OTP及Flash技術(shù)等特點，使其從眾多同類單片機產(chǎn)品中脫穎而出，成為世界上8位微控制器中最有影響力的主流嵌入式控制器之一。
PIC系列單片機在市場逐漸站穩(wěn)腳跟之后，Microchip公司又推出了性價比介于16位單片機、32位單片機及DSP中低檔機之間的dsPIC芯片。
1 dsPIC的產(chǎn)生
目前，在自動檢測、控制等領(lǐng)域正掀起應(yīng)用DSP的熱潮。DSP（Digital Signal Processor）即數(shù)字信號處理器，是在數(shù)字信號處理的各種理論和算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于完成各種實時數(shù)字信息的處理。20世紀80年代初，隨著微電子技術(shù)的展，DSP就應(yīng)運而生了。DSP器件的出現(xiàn)，使得各種數(shù)字信號處理的算法得到了實現(xiàn)。DSP器件不但使數(shù)字信號處理得到了實際應(yīng)用，而且還拓寬到了系統(tǒng)控制領(lǐng)域，從而誕生了一大批新型的電子產(chǎn)品。DSP技術(shù)的迅速普及，也為今天的信息高速公路建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
DSP器件的數(shù)字信號處理大致有如下特點：①可程控，可以只設(shè)計一個硬件配置，然后設(shè)計各種軟件來執(zhí)行多樣的信號處理任務(wù)；②穩(wěn)定性好，沒有時漂、溫漂；③可重復(fù)性好，無論多少臺計算機去計算同一序列的和，都會提供一模一樣的結(jié)果；④易于實現(xiàn)自適應(yīng)算法；⑤基于大規(guī)模的集成電路。
這樣就不難看出，單片機和DSP各有特點。前者控制功能強，后者數(shù)字信號處理能力強，因而，將高性能16位單片機加上DSP功能，就產(chǎn)生了dsPIC芯片。DsPIC是一種將單片機的特征同數(shù)字信號處理器（DSP）的能力結(jié)構(gòu)在一起的器件。它在異步事件處理能力、精密仿真、常見的開發(fā)環(huán)境以及外圍部件等方面都表現(xiàn)出DSP強大的性能。
為了縮小單片機同DSP之間的性能差異，使客戶能方便地將單片機的功能轉(zhuǎn)移到DSP上，Microchip公司推出了dsPIC。目前推出的產(chǎn)品主要有dsPIC30FXXX系列�？紤]到DSP和單片的內(nèi)部區(qū)別，dsPIC器件將高性能16位單片機的控制特點和DSP高速運算的優(yōu)點相結(jié)合，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了適合的，單芯片、單指令流的解決方案。它消除了目前類似設(shè)計中所需求的額外組成部分，從而減小了印制板空間，也降低了系統(tǒng)成本dsPIC30FXXX高性能單片要同系列可以應(yīng)用于非常廣闊的范圍，包括馬達控制、因特網(wǎng)接入器件、汽車產(chǎn)品、功能電路、數(shù)字應(yīng)答機、低速軟件調(diào)制解調(diào)器、線卡、POS終端、自動售貨機、生物測定安全裝置、不間斷電源、電源管理和自然語音輸入/輸出等等。
由于dsPIC兼容了單片機和DSP芯片這兩類產(chǎn)品的優(yōu)點，因此它具有下列特點：
*豐富的外圍部件；
*完整的DSP引擎；
*改進的中斷能力；
*Flash存儲器，靈活的重編程能力；
*強大的開發(fā)環(huán)境；
*引腳數(shù)少；
*使用優(yōu)化的高級語言；
*方便PIC系列單片機用戶移植現(xiàn)有的代碼；
*熟悉的類似單片機的用戶開發(fā)平臺。
此外，dsPIC還可以支持4M×24位的可尋址Flash程序存儲體，以及32K×16位的數(shù)據(jù)存儲空間。相對于其它許多單片機的5V供電及DSP的3.3V供電，dsPIC的供電電壓是2.5～5.5V。
圖1 dsPIC芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
2 dsPIC30F與PIC16F87X的比較
dsPIC30F芯片采用16位（數(shù)據(jù)）改進型——非流水線的哈佛RISC結(jié)構(gòu)，芯片具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。程序計數(shù)器（PC）為24位寬，可以尋址4M×24位的程序存儲器空間。而PIC16F87X系列單片機采用的是8位流水線哈佛結(jié)構(gòu)，有一個13位寬的程序計數(shù)器PC，最大只可尋址8K的程序存儲器空間。
DsPIC30F有16個16位的工作寄存器（W0～W15）。每個工作寄存器都可以作為數(shù)據(jù)、尋址或移位寄存器來操作。其中，第16個工作寄存器（即W15）作為中斷和程序調(diào)用的堆棧指針。PIC16F87X系列同其它種類的PIC機一樣，只含有一個用于ALU的8位W工作寄存器，相當于一般單片機的A累加器，是不可尋址的。
dsPIC30F指令字是24位的，其指令系統(tǒng)有很大的增強，最大特點就是包含了對DSP的支持。因
為這種DSP引擎具有1個高速的16位與16位相乘的乘法器、1個40位的ALU、2個40位的飽和累加器（saturating accumulator）以及1個40位的雙向移位器，因而能夠明顯提高芯片算法能力和周期。由此，這種芯片的指令系統(tǒng)就分成兩大類——單片機類和DSP類。這種指令系統(tǒng)基于高效的C編譯器，支持固有尋址（無操作數(shù)）、相對尋址、立刻尋址、存儲器尋址、寄存器直接尋址、間接尋址和移動尋址7種方式。每條指令都同預(yù)先定義的尋址方式有關(guān)，而這些預(yù)定義的尋址方式是由特定功能需求決定的，且每條指令都支持這7種尋址方式。對于大多數(shù)指令，dsPIC30F芯片在每個指令周期能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)（或程序數(shù)據(jù)）存儲器讀操作、工作寄存器（數(shù)據(jù)）讀操作、數(shù)據(jù)存儲器寫操作以及程序（指令）存儲器讀操作。因此，它可以支持3操作數(shù)的指令，比如，在一個周期內(nèi)可以完成A+B=C的操作。而PIC16F87X系列單片機每條指令長14位（其它系列指令字長也12位或16位的），整個指令系統(tǒng)共分成三類——字節(jié)操作類、位操作類以及立刻數(shù)操作和控制操作類，支持立即數(shù)尋址、寄存器間接尋址、直接尋址和位尋址四種尋址方式，但由于這樣尋址種類的劃分依據(jù)是操作數(shù)的來源，因此并非每條指令都可以支持這四種尋址方式，例如，位操作類的指令就只能采用位尋址方式。對PIC16F87X系列單片機，其指令的操作個數(shù)最多只能是兩個，另外，再加上這種系列單片機不提供對DSP的支持，那么在數(shù)字信號處理速度方面，同dsPIC30F相比顯然要慢很多。
dsPIC30F芯片的數(shù)據(jù)空間被一分為二，分別以X和Y數(shù)據(jù)存儲器進行引用，可以作為32K字（word）或64KB（byte）進行尋址。每個存儲器塊都有自己獨立的地址產(chǎn)生單元（AGU）。單片機類的指令僅單獨通過X存儲器的AGU單元進行操作，把整個存儲器作為一個線性的數(shù)據(jù)空間進行尋址。而DSP類指令的乘法累加器（MAC）是通過X和Y的AGU共同操作的，這樣就將數(shù)據(jù)地址空間分成相對獨立的兩部分。不過，這樣的X和Y的數(shù)據(jù)空間邊界是任意的，且是由芯片自身特性決定的。數(shù)據(jù)空間存儲器高位的32KB，通過定義8位程序空間可見頁面寄存器PSVPAG（Program Space Visibility Page），任意的16位程序字邊界中隨意地被映射到的程序空間低位（用戶空間），這樣就使得任何指令能夠像訪問數(shù)據(jù)空間一樣訪問程序空間。不過，采用這種方式訪問的執(zhí)行時間比一般的訪問方式要多一個周期。而且，只有每條指令字的低16位才可以使用這種方法訪問。PIC16F87X系列單片機的數(shù)據(jù)存儲器分成多個存儲區(qū)。每個存儲區(qū)由通用寄存器和專用寄存器兩部分組成。存儲區(qū)之間的選擇是通過定義狀態(tài)寄存器STATUS的RP0和RP1位進行的，每個存儲體最多只能達到128字節(jié)。
dsPIC芯片不支持多級指令流水線，而采用單級指令預(yù)取機制，就是在可利用的最大執(zhí)行時間前的一個周期訪問指令。因此，dsPIC芯片大多數(shù)指令是單周期的。此外，dsPIC30F芯片還有一個特征，就是含有由61個區(qū)分優(yōu)先級的向量組成的矢量異常處理結(jié)構(gòu)，這些異常情況包括復(fù)位（RESET）、6個捕捉以及54個中斷。
結(jié)語
dsPIC器件的開發(fā)有助于緩解16位單片機和低端數(shù)字信號處理器（DSP之間的性能差，是傳統(tǒng)16位單片機應(yīng)用的理想解決方案。與此同時，隨著控制技術(shù)日趨復(fù)雜化，越來越多的工業(yè)系統(tǒng)要使用DSP精確控制實時響應(yīng)，以及現(xiàn)有產(chǎn)品要求增加更多功能，以增強I/O易用性和安全接入，dsPIC必將在高性能數(shù)字信號控制器市場占據(jù)重要一席之地。同時，隨著多種dsPIC產(chǎn)品系列的不斷迅速開發(fā)，以及愈加完善的開發(fā)工具、應(yīng)用系統(tǒng)庫、現(xiàn)場應(yīng)用工程技術(shù)和綜合技術(shù)等的產(chǎn)品，dsPIC一定會得到廣大用戶的青睞。
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