单片机与DSP结合的dsPIC芯片

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单片机与DSP结合的dsPIC芯片

摘要：介绍一款结合16位单片机控制特点和DSP高速运算优点的新型芯片——dsPIC，对比分析它与PIC16F87X系列单片机之间结构功能的差异。    关键词：单片机 PIC DSP dsPIC
微电子技术大规模甚至超大规模集成电路技术的发展日新月异，计算机芯片技术获得了高速发展。构成这样单片机，亦是不断更新换代，朝着高速化、通用化、不断专用化和提高性价比以及模拟/数字混合集成等方向发展。
熟悉单片机的用户，对于PIC已不再陌生了。由美国Microchip公司推出的PIC系列单片机产品，采用了RISC结构，不但解决了传统冯·诺依曼结构单片机的“瓶颈”问题，并以高速度、低电压、低功耗、大电流驱动能力和低价位OTP及Flash技术等特点，使其从众多同类单片机产品中脱颖而出，成为世界上8位微控制器中最有影响力的主流嵌入式控制器之一。
PIC系列单片机在市场逐渐站稳脚跟之后，Microchip公司又推出了性价比介于16位单片机、32位单片机及DSP中低档机之间的dsPIC芯片。
1 dsPIC的产生
目前，在自动检测、控制等领域正掀起应用DSP的热潮。DSP（Digital Signal Processor）即数字信号处理器，是在数字信号处理的各种理论和算法的基础上发展起来的，用于完成各种实时数字信息的处理。20世纪80年代初，随着微电子技术的展，DSP就应运而生了。DSP器件的出现，使得各种数字信号处理的算法得到了实现。DSP器件不但使数字信号处理得到了实际应用，而且还拓宽到了系统控制领域，从而诞生了一大批新型的电子产品。DSP技术的迅速普及，也为今天的信息高速公路建设奠定了基础。
DSP器件的数字信号处理大致有如下特点：①可程控，可以只设计一个硬件配置，然后设计各种软件来执行多样的信号处理任务；②稳定性好，没有时漂、温漂；③可重复性好，无论多少台计算机去计算同一序列的和，都会提供一模一样的结果；④易于实现自适应算法；⑤基于大规模的集成电路。
这样就不难看出，单片机和DSP各有特点。前者控制功能强，后者数字信号处理能力强，因而，将高性能16位单片机加上DSP功能，就产生了dsPIC芯片。DsPIC是一种将单片机的特征同数字信号处理器（DSP）的能力结构在一起的器件。它在异步事件处理能力、精密仿真、常见的开发环境以及外围部件等方面都表现出DSP强大的性能。
为了缩小单片机同DSP之间的性能差异，使客户能方便地将单片机的功能转移到DSP上，Microchip公司推出了dsPIC。目前推出的产品主要有dsPIC30FXXX系列。考虑到DSP和单片的内部区别，dsPIC器件将高性能16位单片机的控制特点和DSP高速运算的优点相结合，为嵌入式系统设计提供了适合的，单芯片、单指令流的解决方案。它消除了目前类似设计中所需求的额外组成部分，从而减小了印制板空间，也降低了系统成本dsPIC30FXXX高性能单片要同系列可以应用于非常广阔的范围，包括马达控制、因特网接入器件、汽车产品、功能电路、数字应答机、低速软件调制解调器、线卡、POS终端、自动售货机、生物测定安全装置、不间断电源、电源管理和自然语音输入/输出等等。
由于dsPIC兼容了单片机和DSP芯片这两类产品的优点，因此它具有下列特点：
*丰富的外围部件；
*完整的DSP引擎；
*改进的中断能力；
*Flash存储器，灵活的重编程能力；
*强大的开发环境；
*引脚数少；
*使用优化的高级语言；
*方便PIC系列单片机用户移植现有的代码；
*熟悉的类似单片机的用户开发平台。
此外，dsPIC还可以支持4M×24位的可寻址Flash程序存储体，以及32K×16位的数据存储空间。相对于其它许多单片机的5V供电及DSP的3.3V供电，dsPIC的供电电压是2.5～5.5V。


图1 dsPIC芯片内部结构图

2 dsPIC30F与PIC16F87X的比较
dsPIC30F芯片采用16位（数据）改进型——非流水线的哈佛RISC结构，芯片具体结构如图1所示。程序计数器（PC）为24位宽，可以寻址4M×24位的程序存储器空间。而PIC16F87X系列单片机采用的是8位流水线哈佛结构，有一个13位宽的程序计数器PC，最大只可寻址8K的程序存储器空间。
DsPIC30F有16个16位的工作寄存器（W0～W15）。每个工作寄存器都可以作为数据、寻址或移位寄存器来操作。其中，第16个工作寄存器（即W15）作为中断和程序调用的堆栈指针。PIC16F87X系列同其它种类的PIC机一样，只含有一个用于ALU的8位W工作寄存器，相当于一般单片机的A累加器，是不可寻址的。
dsPIC30F指令字是24位的，其指令系统有很大的增强，最大特点就是包含了对DSP的支持。因为这种DSP引擎具有1个高速的16位与16位相乘的乘法器、1个40位的ALU、2个40位的饱和累加器（saturating accumulator）以及1个40位的双向移位器，因而能够明显提高芯片算法能力和周期。由此，这种芯片的指令系统就分成两大类——单片机类和DSP类。这种指令系统基于高效的C编译器，支持固有寻址（无操作数）、相对寻址、立刻寻址、存储器寻址、寄存器直接寻址、间接寻址和移动寻址7种方式。每条指令都同预先定义的寻址方式有关，而这些预定义的寻址方式是由特定功能需求决定的，且每条指令都支持这7种寻址方式。对于大多数指令，dsPIC30F芯片在每个指令周期能够执行数据（或程序数据）存储器读操作、工作寄存器（数据）读操作、数据存储器写操作以及程序（指令）存储器读操作。因此，它可以支持3操作数的指令，比如，在一个周期内可以完成A+B=C的操作。而PIC16F87X系列单片机每条指令长14位（其它系列指令字长也12位或16位的），整个指令系统共分成三类——字节操作类、位操作类以及立刻数操作和控制操作类，支持立即数寻址、寄存器间接寻址、直接寻址和位寻址四种寻址方式，但由于这样寻址种类的划分依据是操作数的来源，因此并非每条指令都可以支持这四种寻址方式，例如，位操作类的指令就只能采用位寻址方式。对PIC16F87X系列单片机，其指令的操作个数最多只能是两个，另外，再加上这种系列单片机不提供对DSP的支持，那么在数字信号处理速度方面，同dsPIC30F相比显然要慢很多。
dsPIC30F芯片的数据空间被一分为二，分别以X和Y数据存储器进行引用，可以作为32K字（word）或64KB（byte）进行寻址。每个存储器块都有自己独立的地址产生单元（AGU）。单片机类的指令仅单独通过X存储器的AGU单元进行操作，把整个存储器作为一个线性的数据空间进行寻址。而DSP类指令的乘法累加器（MAC）是通过X和Y的AGU共同操作的，这样就将数据地址空间分成相对独立的两部分。不过，这样的X和Y的数据空间边界是任意的，且是由芯片自身特性决定的。数据空间存储器高位的32KB，通过定义8位程序空间可见页面寄存器PSVPAG（Program Space Visibility Page），任意的16位程序字边界中随意地被映射到的程序空间低位（用户空间），这样就使得任何指令能够像访问数据空间一样访问程序空间。不过，采用这种方式访问的执行时间比一般的访问方式要多一个周期。而且，只有每条指令字的低16位才可以使用这种方法访问。PIC16F87X系列单片机的数据存储器分成多个存储区。每个存储区由通用寄存器和专用寄存器两部分组成。存储区之间的选择是通过定义状态寄存器STATUS的RP0和RP1位进行的，每个存储体最多只能达到128字节。
dsPIC芯片不支持多级指令流水线，而采用单级指令预取机制，就是在可利用的最大执行时间前的一个周期访问指令。因此，dsPIC芯片大多数指令是单周期的。此外，dsPIC30F芯片还有一个特征，就是含有由61个区分优先级的向量组成的矢量异常处理结构，这些异常情况包括复位（RESET）、6个捕捉以及54个中断。
结语
dsPIC器件的开发有助于缓解16位单片机和低端数字信号处理器（DSP之间的性能差，是传统16位单片机应用的理想解决方案。与此同时，随着控制技术日趋复杂化，越来越多的工业系统要使用DSP精确控制实时响应，以及现有产品要求增加更多功能，以增强I/O易用性和安全接入，dsPIC必将在高性能数字信号控制器市场占据重要一席之地。同时，随着多种dsPIC产品系列的不断迅速开发，以及愈加完善的开发工具、应用系统库、现场应用工程技术和综合技术等的产品，dsPIC一定会得到广大用户的青睐。