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[導(dǎo)讀]介紹一款結(jié)合16位單片機(jī)控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算優(yōu)點(diǎn)的新型芯片——dsPIC,對比分析它與PIC16F87X系列單片機(jī)之間結(jié)構(gòu)功能的差異。

摘要:介紹一款結(jié)合16位單片機(jī)控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算優(yōu)點(diǎn)的新型芯片——dsPIC,對比分析它與PIC16F87X系列單片機(jī)之間結(jié)構(gòu)功能的差異。

    關(guān)鍵詞:單片機(jī) 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(jī)芯片技術(shù)獲得了高速發(fā)展。構(gòu)成這樣單片機(jī),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(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn),使其從眾多同類單片機(jī)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(jī)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(jī)、32位單片機(jī)及DSP中低檔機(jī)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(shí)時數(shù)字信息的處理。20世紀(jì)80年代初,隨著微電子技術(shù)的展,DSP就應(yīng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)。DSP器件不但使數(shù)字信號處理得到了實(shí)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(diǎn):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(jī)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(shí)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(jī)和DSP各有特點(diǎn)。前者控制功能強(qiáng),后者數(shù)字信號處理能力強(qiáng),因而,將高性能16位單片機(jī)加上DSP功能,就產(chǎn)生了dsPIC芯片。DsPIC是一種將單片機(jī)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(qiáng)大的性能。

為了縮小單片機(jī)同DSP之間的性能差異,使客戶能方便地將單片機(jī)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。考慮到DSP和單片的內(nèi)部區(qū)別,dsPIC器件將高性能16位單片機(jī)的控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)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(dá)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(jī)、低速軟件調(diào)制解調(diào)器、線卡、POS終端、自動售貨機(jī)、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(jī)和DSP芯片這兩類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn),因此它具有下列特點(diǎn):

*豐富的外圍部件;

*完整的DSP引擎;

*改進(jìn)的中斷能力;

*Flash存儲器,靈活的重編程能力;

*強(qiáng)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(jī)用戶移植現(xiàn)有的代碼;

*熟悉的類似單片機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)一樣,只含有一個用于ALU的8位W工作寄存器,相當(dāng)于一般單片機(jī)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(qiáng),最大特點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī),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(jī)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(jìn)行引用,可以作為32K字(word)或64KB(byte)進(jìn)行尋址。每個存儲器塊都有自己獨(dú)立的地址產(chǎn)生單元(AGU)。單片機(jī)類的指令僅單獨(dú)通過X存儲器的AGU單元進(jìn)行操作,把整個存儲器作為一個線性的數(shù)據(jù)空間進(jìn)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(dú)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(jī)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(jìn)行的,每個存儲體最多只能達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)時響應(yīng),以及現(xiàn)有產(chǎn)品要求增加更多功能,以增強(qiáng)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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