深度解析ADSP-2126x：高性能音頻處理的理想之選

在當今的電子領域，音頻處理技術不斷發展，對處理器的性能和功能提出了更高的要求。ADI公司的ADSP-21261/ADSP-21262/ADSP-21266 SHARC DSP處理器，憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了高性能音頻處理應用的理想之選。今天，我們就來深入了解一下這款處理器。

文件下載：ADSP-21262.pdf

性能卓越，滿足音頻處理需求

ADSP-2126x是一款32位/40位浮點處理器，專為高性能音頻處理進行了優化。它在匯編層面與其他SHARC DSP代碼兼容，使用相同的指令集，能夠在處理高性能音頻的同時，有效降低系統成本。

在性能方面，ADSP-2126x表現出色。以200 MHz運行時，它在多種基準算法上展現出了強大的處理能力。例如，1024點復FFT（基4，帶反轉）僅需61.3 μs，FIR濾波器（每抽頭）為3.3 ns，IIR濾波器（每雙二階）為13.3 ns等。通過兩個計算單元，它在一系列DSP算法上比之前的SHARC處理器性能提升了5到10倍。采用最先進的高速CMOS工藝，在200 MHz時指令周期時間為5 ns，150 MHz時為6.6 ns。借助SIMD計算硬件，200 MHz運行時可實現1200 MFLOPS，150 MHz運行時為900 MFLOPS。

架構獨特，提升處理效率

SIMD計算引擎

ADSP-2126x包含兩個處理單元，作為單指令多數據（SIMD）引擎運行。這兩個處理單元分別為PEX和PEY，每個都包含ALU、乘法器、移位器和寄存器文件。PEX始終處于活動狀態，PEY可通過設置MODE1寄存器中的PEYEN模式位來啟用。進入SIMD模式后，兩個處理單元執行相同的指令，但處理不同的數據，這種架構在執行數學密集型音頻算法時非常高效。同時，進入SIMD模式會使內存與處理單元之間的數據帶寬翻倍，以滿足計算需求。

獨立并行計算單元

每個處理單元內都有一組計算單元，包括算術邏輯單元（ALU）、乘法器和移位器。這些單元在單個周期內完成所有操作，并且相互并行排列，最大限度地提高了計算吞吐量。單多功能指令可以同時執行并行的ALU和乘法器操作，在SIMD模式下，這種并行操作會在兩個處理單元中同時發生。這些計算單元支持IEEE 32位單精度浮點、40位擴展精度浮點和32位定點數據格式。

數據寄存器文件

每個處理單元都包含一個通用數據寄存器文件，用于在計算單元和數據總線之間傳輸數據，并存儲中間結果。這些10端口、32寄存器（16個主寄存器，16個輔助寄存器）的寄存器文件，結合ADSP-2126x增強的哈佛架構，允許計算單元和內部內存之間實現無約束的數據流動。PEX中的寄存器稱為R0 - R15，PEY中的寄存器稱為S0 - S15。

單周期取指令和四個操作數

ADSP-2126x采用增強的哈佛架構，數據內存（DM）總線傳輸數據，程序內存（PM）總線傳輸指令和數據。通過獨立的程序和數據內存總線以及片上指令緩存，處理器可以在單個周期內同時獲取四個操作數（每個數據總線兩個）和一條指令（從緩存中）。

指令緩存

片上指令緩存使處理器能夠進行三總線操作，以獲取一條指令和四個數據值。緩存具有選擇性，僅緩存那些與PM總線數據訪問沖突的指令。這使得核心的循環操作（如數字濾波器乘累加和FFT蝶形處理）能夠全速執行。

數據地址生成器

ADSP-2126x的兩個數據地址生成器（DAGs）用于間接尋址和在硬件中實現循環數據緩沖區。循環緩沖區允許高效編程延遲線和其他數字信號處理所需的數據結構，常用于數字濾波器和傅里葉變換。兩個DAGs包含足夠的寄存器，可創建多達32個循環緩沖區（16個主寄存器集，16個輔助寄存器集）。DAGs自動處理地址指針回繞，減少開銷，提高性能，并簡化實現。循環緩沖區可以在任何內存位置開始和結束。

靈活的指令集

48位指令字可容納各種并行操作，便于簡潔編程。例如，ADSP-2126x可以在一個指令中，在兩個處理單元中有條件地執行乘法、加法和減法，同時進行分支并從內存中獲取多達四個32位值。

豐富的內存和I/O接口

雙端口片上內存

ADSP-21262和ADSP-21266包含2兆位內部SRAM和4兆位內部掩膜可編程ROM，ADSP-21261包含1兆位內部SRAM和3兆位內部掩膜可編程ROM。每個內存塊都可以配置為不同的代碼和數據存儲組合，并且是雙端口的，允許核心處理器和I/O處理器在單個周期內獨立訪問。雙端口內存與三個獨立的片上總線相結合，允許在單個周期內從核心進行兩次數據傳輸，從I/O處理器進行一次數據傳輸。

DMA控制器

片上DMA控制器允許零開銷的數據傳輸，無需處理器干預。它獨立于處理器核心運行，在核心執行程序指令的同時進行DMA操作。DMA傳輸可以在ADSP-2126x的內部內存和其串行端口、SPI兼容端口、IDP、并行數據采集端口或并行端口之間進行。ADSP-2126x最多提供22個DMA通道，包括一個用于SPI接口、12個通過串行端口、8個通過輸入數據端口和一個通過處理器的并行端口。程序可以通過DMA傳輸下載到ADSP-2126x。此外，DMA還具有在傳輸完成時生成中斷和DMA鏈功能，用于自動鏈接DMA傳輸。

數字應用接口（DAI）

DAI提供了將各種外設連接到SHARC DSP的DAI引腳（DAI_P20 - 1）的能力。通過信號路由單元（SRU）進行連接，SRU是一個矩陣路由單元（或一組多路復用器），允許在軟件控制下互連DAI提供的外設。DAI還包括六個串行端口、兩個精密時鐘發生器（PCGs）、一個輸入數據端口（IDP）、六個標志輸出和六個標志輸入以及三個定時器。IDP為ADSP-2126x核心提供了額外的輸入路徑，可以配置為八個I2S或串行數據通道，或七個通道加一個20位寬的同步并行數據采集端口。每個數據通道都有自己獨立于ADSP-2126x串行端口的DMA通道。

串行端口

ADSP-2126x具有六個全雙工同步串行端口，為各種數字和混合信號外設提供了廉價的接口，如ADI的AD183x系列音頻編解碼器、ADC和DAC。串行端口由兩條數據線、一個時鐘和幀同步組成。數據線可以編程為發送或接收，每個數據線都有自己的專用DMA通道。所有六個SPORTs啟用時，串行端口支持多達24個發送或24個接收通道的音頻數據，或六個每幀128通道的全雙工TDM流。串行端口的運行速度最高可達DSP核心時鐘速率的四分之一，200 MHz核心時每個端口的最大數據速率為50M位/秒，150 MHz核心時為37.5M位/秒。串行端口數據可以通過專用DMA自動傳輸到片上內存和從片上內存傳輸。每個串行端口可以與另一個串行端口配合使用，提供TDM支持。串行端口支持四種模式：標準DSP串行模式、多通道（TDM）模式、I2S模式和左對齊樣本對模式。

串行外設（兼容）接口

SPI是一種行業標準的同步串行鏈路，使ADSP-2126x的SPI兼容端口能夠與其他SPI兼容設備通信。它由兩條數據線、一個設備選擇引腳和一個時鐘引腳組成，是一個全雙工同步串行接口，支持主模式和從模式。SPI端口可以在多主環境中運行，通過與多達四個其他SPI兼容設備接口，既可以作為主設備也可以作為從設備。ADSP-2126x的SPI兼容外設實現還具有可編程的波特率，200 MHz核心時鐘時最高可達50 MHz，150 MHz核心時鐘時最高可達37.5 MHz，以及可編程的時鐘相位和極性。SPI兼容端口使用開漏驅動器，以支持多主配置并避免數據沖突。

并行端口

并行端口提供了與SRAM和外設的接口。復用的地址和數據引腳（AD15 - 0）可以訪問8位設備，最多24位地址，或16位設備，最多16位地址。在8位或16位模式下，最大數據傳輸速率為核心時鐘速度的三分之一。例如，200 MHz時鐘速率相當于66M字節/秒，150 MHz時鐘速率相當于50M字節/秒。DMA傳輸用于在內部內存和外設之間移動數據，通過并行端口寄存器的讀寫功能也可以方便地訪問核心。RD、WR和ALE（地址鎖存使能）引腳是并行端口的控制引腳。

定時器

ADSP-2126x共有四個定時器：一個核心定時器能夠生成周期性軟件中斷，三個通用定時器可以生成周期性中斷，并可以獨立設置為以下三種模式之一：脈沖波形生成模式、脈沖寬度計數/捕獲模式和外部事件看門狗模式。核心定時器可以配置為使用FLAG3作為定時器過期輸出信號，每個通用定時器有一個雙向引腳和四個寄存器來實現其操作模式：一個6位配置寄存器、一個32位計數寄存器、一個32位周期寄存器和一個32位脈沖寬度寄存器。一個單一的控制和狀態寄存器可以獨立啟用或禁用所有三個通用定時器。

ROM安全

ADSP-2126x具有ROM安全功能，通過防止在啟用時從內部代碼進行未經授權的讀取，為用戶軟件代碼提供硬件支持。使用此功能時，DSP不會加載任何外部代碼，僅從內部SRAM/ROM執行。此外，DSP不能通過JTAG端口自由訪問。每個客戶將被分配一個唯一的64位密鑰，必須通過JTAG或測試訪問端口掃描輸入。設備將忽略錯誤的密鑰，只有在掃描正確的密鑰后，仿真功能和外部啟動模式才可用。

程序啟動

ADSP-2126x的內部內存在系統上電時通過并行端口從8位EPROM、SPI主設備、SPI從設備或內部啟動。啟動模式由啟動配置（BOOT_CFG1 - 0）引腳確定。

鎖相環

ADSP-2126x使用片上鎖相環（PLL）為核心生成內部時鐘。上電時，CLK_CFG1 - 0引腳用于選擇16:1、8:1和3:1的比率。啟動后，可以通過軟件控制選擇許多其他比率。這些比率由1到64的軟件可配置分子值和2、4、8和16的軟件可配置除數組成。

電源供應

ADSP-2126x具有獨立的內部（VDDINT）、外部（VDDEXT）和模擬（AVDD/AVSS）電源供應連接。內部和模擬電源必須滿足1.2 V要求，外部電源必須滿足3.3 V要求。所有外部電源引腳必須連接到同一電源。需要注意的是，模擬電源引腳（AVDD）為ADSP-2126x的內部時鐘發生器PLL供電。為了產生穩定的時鐘，建議PCB設計在AVDD引腳使用外部濾波電路，并將濾波組件盡可能靠近AVDD/AVSS引腳放置。

開發工具支持

ADI為ADSP-2126x提供了完整的軟件和硬件開發工具，包括集成開發環境（如CrossCore? Embedded Studio和VisualDSP++?）、評估產品、仿真器和各種軟件插件。

集成開發環境（IDEs）

ADI提供了兩種用于C/C++軟件開發、代碼生成和調試支持的IDE。最新的CrossCore Embedded Studio基于EclipseTM框架，支持大多數ADI處理器系列，是未來處理器（包括多核設備）的首選IDE。它無縫集成了可用的軟件插件，支持實時操作系統、文件系統、TCP/IP堆棧、USB堆棧、算法軟件模塊和評估硬件板支持包。VisualDSP++支持在CrossCore Embedded Studio發布之前推出的處理器系列，包括ADI的VDK實時操作系統和開源TCP/IP堆棧。需要注意的是，VisualDSP++將不再支持未來的ADI處理器。

EZ-KIT Lite評估板和套件

ADI提供了廣泛的EZ-KIT Lite?評估板，包括處理器和關鍵外設，支持片上仿真功能以及其他評估和開發特性。還有各種EZ-Extenders?子卡，提供額外的專業功能，如音頻和視頻處理。ADI還提供了一系列EZ-KIT Lite評估套件，每個套件包括一個EZ-KIT Lite評估板、下載可用IDE評估版本的說明、USB電纜和電源。EZ-KIT Lite板上的USB控制器連接到用戶PC的USB端口，允許所選的IDE評估套件在電路中仿真板上的處理器。這使得客戶可以下載、執行和調試EZ-KIT Lite系統的程序，還支持對板上Flash設備進行電路編程，以存儲用戶特定的啟動代碼，實現獨立操作。

軟件插件

ADI提供的軟件插件可以無縫集成到CrossCore Embedded Studio中，擴展其功能并減少開發時間。這些插件包括評估硬件的板支持包、各種中間件包和算法模塊。安裝插件后，可以通過CrossCore Embedded Studio IDE查看插件中的文檔、幫助、配置對話框和編碼示例。

產品規格與注意事項

工作條件

ADSP-2126x的內部（核心）電源電壓范圍為1.14 - 1.26 V，模擬（PLL）電源電壓范圍為1.14 - 1.26 V，外部（I/O）電源電壓范圍為3.13 - 3.47 V。輸入高電平電壓和低電平電壓也有相應的要求，環境溫度根據不同的等級有所不同，K級為0 - +70 °C，B級為 - 40 - +85 °C。

電氣特性

輸出高電平電壓和低電平電壓、輸入電流、三態泄漏電流等都有具體的規格要求。同時，對于不同的引腳和操作模式，也有相應的電氣特性規定。

封裝信息

ADSP-2126x有144引腳LQFP和136球BGA兩種封裝形式，不同封裝的引腳配置和相關參數都有詳細的說明。

ESD注意事項

該處理器是靜電放電（ESD）敏感設備，盡管具有專利或專有保護電路，但高能量ESD仍可能對設備造成損壞。因此，應采取適當的ESD預防措施，以避免性能下降或功能喪失。

最大功耗和絕對最大額定值

最大功耗的詳細熱和功率信息可參考《Estimating Power for the ADSP-21262 SHARC Processors (EE-216)》，絕對最大額定值規定了設備能夠承受的最大應力，超過這些值可能會導致設備永久性損壞。

時序規格

詳細的時序規格對于確保處理器與其他設備的正確操作至關重要，包括時鐘輸入、復位、中斷、定時器等方面的時序要求。

ADSP-2126x以其卓越的性能、獨特的架構、豐富的接口和完善的開發工具支持，為高性能音頻處理應用提供了強大的解決方案。電子工程師在設計音頻處理系統時，不妨考慮這款處理器，相信它能為項目帶來出色的表現。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？又有哪些獨特的應用經驗？歡迎在評論區分享交流。