單片機(jī)與DSP結(jié)合的dsPIC芯片介紹

1 dsPIC的產(chǎn)生

目前，在自動(dòng)檢測(cè)、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(hào)處理器，是在數(shù)字信號(hào)處理的各種理論和算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，用于完成各種實(shí)時(shí)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(hào)處理的算法得到了實(shí)現(xiàn)。DSP器件不但使數(shù)字信號(hào)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(hào)處理大致有如下特點(diǎn)：①可程控，可以只設(shè)計(jì)一個(gè)硬件配置，然后設(shè)計(jì)各種軟件來(lái)執(zhí)行多樣的信號(hào)處理任務(wù)；②穩(wěn)定性好，沒(méi)有時(shí)漂、溫漂；③可重復(fù)性好，無(wú)論多少臺(tái)計(jì)算機(jī)去計(jì)算同一序列的和，都會(huì)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(hào)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(hào)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(jiàn)的開(kāi)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(jì)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(jì)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(dòng)售貨機(jī)、生物測(cè)定安全裝置、不間斷電源、電源管理和自然語(yǔ)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(chǔ)器，靈活的重編程能力；
*強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)環(huán)境；
*引腳數(shù)少；
*使用優(yōu)化的高級(jí)語(yǔ)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。

此外，dsPIC還可以支持4M×24位的可尋址Flash程序存儲(chǔ)體，以及32K×16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。相對(duì)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(jì)數(shù)器（PC）為24位寬，可以尋址4M×24位的程序存儲(chǔ)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(gè)13位寬的程序計(jì)數(shù)器PC，最大只可尋址8K的程序存儲(chǔ)器空間。

DsPIC30F有16個(gè)16位的工作寄存器（W0～W15）。每個(gè)工作寄存器都可以作為數(shù)據(jù)、尋址或移位寄存器來(lái)操作。其中，第16個(gè)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(gè)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(duì)DSP的支持。因?yàn)檫@種DSP引擎具有1個(gè)高速的16位與 16位相乘的乘法器、1個(gè)40位的ALU、2個(gè)40位的飽和累加器（saturating accumulator）以及1個(gè)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(wú)操作數(shù)）、相對(duì)尋址、立刻尋址、存儲(chǔ)器尋址、寄存器直接尋址、間接尋址和移動(dòng)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(duì)于大多數(shù)指令，dsPIC30F芯片在每個(gè)指令周期能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)（或程序數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)器讀操作、工作寄存器（數(shù)據(jù)）讀操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫操作以及程序（指令）存儲(chǔ)器讀操作。因此，它可以支持3 操作數(shù)的指令，比如，在一個(gè)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(zhǎng)14位（其它系列指令字長(zhǎng)也12位或16位的），整個(gè)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(lái)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(duì)PIC16F87X系列單片機(jī)，其指令的操作個(gè)數(shù)最多只能是兩個(gè)，另外，再加上這種系列單片機(jī)不提供對(duì)DSP的支持，那么在數(shù)字信號(hào)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(chǔ)器進(jìn)行引用，可以作為32K字（word）或64KB（byte）進(jìn)行尋址。每個(gè)存儲(chǔ)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(guò)X存儲(chǔ)器的AGU單元進(jìn)行操作，把整個(gè)存儲(chǔ)器作為一個(gè)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(guò)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(duì)獨(dú)立的兩部分。不過(guò)，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(chǔ)器高位的32KB，通過(guò)定義8位程序空間可見(jiàn)頁(yè)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(wèn)數(shù)據(jù)空間一樣訪問(wèn)程序空間。不過(guò)，采用這種方式訪問(wèn)的執(zhí)行時(shí)間比一般的訪問(wèn)方式要多一個(gè)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(wèn)。PIC16F87X系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分成多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)由通用寄存器和專用寄存器兩部分組成。存儲(chǔ)區(qū)之間的選擇是通過(guò)定義狀態(tài)寄存器STATUS的RP0和RP1位進(jìn)行的，每個(gè)存儲(chǔ)體最多只能達(dá)到128字節(jié)。

dsPIC芯片不支持多級(jí)指令流水線，而采用單級(jí)指令預(yù)取機(jī)制，就是在可利用的最大執(zhí)行時(shí)間前的一個(gè)周期訪問(wèn)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(gè)特征，就是含有由61個(gè)區(qū)分優(yōu)先級(jí)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(gè)捕捉以及54個(gè)中斷。

結(jié)語(yǔ)

dsPIC器件的開(kāi)發(fā)有助于緩解16位單片機(jī)和低端數(shù)字信號(hào)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(shí)，隨著控制技術(shù)日趨復(fù)雜化，越來(lái)越多的工業(yè)系統(tǒng)要使用DSP精確控制實(shí)時(shí)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(hào)控制器市場(chǎng)占據(jù)重要一席之地。同時(shí)，隨著多種dsPIC產(chǎn)品系列的不斷迅速開(kāi)發(fā)，以及愈加完善的開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用系統(tǒng)庫(kù)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程技術(shù)和綜合技術(shù)等的產(chǎn)品，dsPIC一定會(huì)得到廣大用戶的青睞。