2020年TMS320C54X和ADSP218X性能比較論文

1、TMS320C54x和 ADSP218x性能比較論文從 1982 年第一片數(shù)字信號處理器（ Digital Signal Processor,DSP ）TMS320C10產(chǎn)生以來，經(jīng)過二十年的發(fā)展， DSP以其卓越的性能、獨有的特點，已成為通信、計算機、消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。業(yè)內(nèi)人干預言， DSP將是未來集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品，并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素，它將 _ 變革人們的作、學習和生活方式。DSP689具有兩種算術(shù)結(jié)構(gòu)：定點和浮點。從理論上講，雖然浮點 DSP的動態(tài)范圍比定點DSP大，且更適合于 DSP的應用場合，但定點運算的 DSP器件的成本較低， 對存儲器的要求也

2、較低， 而且耦電較省。定點運算的可編程DSP器件仍是市場上的主流產(chǎn)品。 據(jù)統(tǒng)計，目前銷售的 DSP器件中的 80%以上屬于 16 位定點可編程 DSP器件。其中， TI 公司的 TMS320C54X系列和 ADI 公司的 ADSP-218X系列是目前廣泛使用的主流定點DSP芯片。下面就以它們?yōu)檠芯繉ο?，結(jié)合Geffe 發(fā)生器 7 和 MD5算法的實現(xiàn)，對其性能進行分析比較。由于TI 的 TMS320VC5402和 ADI 的 ADSP-2186N是使用較多的兩款，硬件性能指標又相近， 有很好的可比性， 所以編程實現(xiàn)時選擇它們?yōu)榫唧w芯片。雖然兩款 DSP芯片都提供 C編譯器，但是因為效率都不高，

3、這里我們就不作討論。下面的論述都是基于直接用匯編語言編程的。先簡單介紹一眄兩個算法。 Geffe 發(fā)生器是一種密鑰序列發(fā)生器，它利用線性反饋移位寄存器（ Linear Feedback Shift Register,LFSR ）產(chǎn)生序列密碼。 Geffe 發(fā)生器使用了三個 LFSR，它們以非線性方式結(jié)合，其中兩個 LFSR作為復合器的輸入，第三個 LFSR 控制復合器的輸出。因為運算量很大，所以 LFSR用軟件實現(xiàn)起來比較慢，但是用匯編語言實現(xiàn)比用 C語言實現(xiàn)快。MD5 （MD，即 Message Digest ）是一個單向散列函數(shù)，它對輸入消息產(chǎn)生 128 位散列值（或消息摘要）。該算法需要

4、進行大量的移位和邏輯操作，用 DSP實現(xiàn)比較方便。2.1硬件結(jié)構(gòu) 145TMS320C54X 系列采用改進的Harvard 結(jié)構(gòu)體系，有一組程序總線和三組數(shù)據(jù)總線、高度并行性的算術(shù)邏輯單元ALU、乘法 / 累加器MAC、桶形移位器、緩沖串口、專用硬件邏輯、片內(nèi)存儲器、片內(nèi)外設(shè)和高度專業(yè)化的指令集等等。支持 32 位長操作數(shù)指令，支持并行存儲和并行裝入的算術(shù)指令。ADSP-218X 系列借裝了 TMS320X系列的優(yōu)缺點，重新設(shè)計。它也是采用改進的 Harvard 結(jié)構(gòu)體系。 ALUMAC、桶形移位器這三個獨立的運算部件均可以單周期操作。還有豐富的雙緩沖串口、中斷（分外中斷和內(nèi)中斷）等。在 TM

5、S320C54x系列中，程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)是混在一起的， 而 ADSP-218X系列從物理上就將兩者分開， 這就使多功能指令操作顯得非常方便。因此， ADSP-218X系列程序?qū)崿F(xiàn)更有高效性。兩款芯片主要技術(shù)指標的比較如表1 所示。比較項目 MIPSCycle Time/nsRAM/千字 TMS320C54X3053233.3 1.885 640ADSP-218X33803012.58 1042.2程序編程 2346下面分別用 TMS320VC5402和 ADSP-2186N實現(xiàn) Geffe 發(fā)生器和MD5算法，以此來比較兩款芯片在編程過程中的優(yōu)劣。其中，Geffe發(fā)生器產(chǎn)生 96 字的序

6、列， MD5處理的消息長 63 個字。2.2.1指令系統(tǒng)概述ADSP-2186N 指令系統(tǒng)使用代數(shù)符號來表示算術(shù)運算和數(shù)據(jù)傳送，源代碼具有較高的可讀性， 且不會損壞運行特性。 它的指令系統(tǒng)很精簡，程序員可以快速掌握。 ADSP-2186N的編程方式和高級語言類似，如果用戶有高級語言編程的經(jīng)驗，上手較快。TMS320VC5402 指令系統(tǒng)很豐富，靈活多變，雖然使用時很方便，但是完全掌握卻有一定的困難， 這對程序員來說是個不小的難題。 它的指令系統(tǒng)有傳統(tǒng)的助記符和代數(shù)符號兩種方式， 程序員可以根據(jù)所好任選一種。助記符方式對于習慣了匯編語言的開者易于接受， 代數(shù)符號方式則表達簡潔、 較為直觀、易于理

7、解。但是，合作完成項目時，往往會由于不同的程序員選擇不同的格式而造成麻煩。 解決的方法有兩個，一是使用 TI 提供的轉(zhuǎn)換工具，另一是只將兩者的 obj 文件鏈接調(diào)試，但調(diào)試時有些方便。另外，兩者的編譯環(huán)境也有差別。相比較而言， ADSP-2186N的界面要友好一些，它和 VC+非常相像，很方便。2.2.2指令的“單周期性”ADSP-2186N 的每條程序語言都匯編成僅需一個執(zhí)行周期的 24 位指令機器碼。 它完全在并行處理方式下工作， 所有的指令都是真正的單周期指令。 除了訪問慢速的外部存儲設(shè)備， 或者外部存儲器出現(xiàn)控制權(quán)競爭而需要附加周期的情況外， 任何指令的運行一般僅需一個周期。由于它的指

8、令系統(tǒng)沒什么“禁忌”，所以程序員大可像編寫高級語言程序一樣， 只需要考慮算法如何實現(xiàn)， 至于編程過程就可以不太注意?？墒牵琓MS320VC5402的指令系統(tǒng)卻不是這樣。 TMS320VC5402的各個單元是基于流水線方式的結(jié)構(gòu)，指令按流水線方式工作。它的大多數(shù)指令在單獨執(zhí)行時并不能在一個周期內(nèi)完成，只是在流水線方式下工作或重復操作的， 才可以做到平均每一個周期執(zhí)行一條指令。因此，在它的指令系統(tǒng)中，不僅有不少的指令需要多個執(zhí)行周期，而且由于“時延”的原因，如果處理的不好，還會出現(xiàn)額外的附加周期。 因此為了保證每條指令準確執(zhí)行， 有時就不得不把程序打亂，就是說，相關(guān)聯(lián)的幾條語句要分散插入別的地方。

9、程序的模塊化遭到損害，顯得雜亂無章，大大影響了可讀性。如下面語句中的句 1、句 2、句 3、句 4（選自 Geffe 發(fā)生器）是我們實際應用的形式 （指令用代數(shù)符號格式， 下面如果不特別指出，均為這要您）。m_seq_ll:；標號b=a & #1 ;句 1if(aeq)goto m_seq_12 ;句 2，if a=0,goto m_seq_12a=a>>1 ;句 3if(beq)goto m_seq_11 ;句 4，if b=0,goto m_seq_11m_seq_12:但是，它們正常語序則應該為m_seq_11: ;標號a=a>>1；句 3（若這樣， a

10、的初始值隨之改變）if(aeq)goto m_seq_12 ;句 2，if a=0,goto m_seq_12b=a & #1 ;句 1if(beq)goto m_seq_11；句 4，if b=0,goto m_seq_l1m_seq_l2：不過，若以正常語序執(zhí)行if語句時， a、b 的值會因為時延不夠，來不及改變而導致程序出錯。為避免這種情況，要么在句3 和句2 以及句 1 和句 4 之間分別加上若干個空操作（nop），這樣就會影響速度；要么調(diào)整它們的順序，如實際應用中的句1、句 2、句 3、句 4. 有時候，語句順序?qū)嵲跓o法調(diào)整，就不得不加上一些空操作。尤其是循環(huán)的主體部分， 往

11、往一條語句處理的不好， 就會導致整個程序多運行成千上萬條指令。因此， TMS320C54系列編程對程序員的要求較高，必須非常熟悉指令系統(tǒng)，才可以得到高效的程序。2.2.3對數(shù)組的循環(huán)操作關(guān)于對數(shù)組進行循環(huán)操作，兩者平分秋色。它們都支持寄存器地址自動加減。只不過ADSP-2186N的調(diào)試界面看上去更直觀些。2.2.4對 32 位長操作數(shù)操作ADSP-2186N不支持 32 位操作，如果需要的話，必須多條指令共同完成。而 TMS320VC5402經(jīng)過簡單的設(shè)置，就可以直接進行一些32 位操作。例如， MD5算法中 4 輪主循環(huán)都需要大量的 32 位邏輯運算及加法操作。表 2 示出“與”運算和加法的

12、實例，顯然，用 TMS320VC-2186N 實現(xiàn)時，必須將 32 位分為高 16 位和 16 位分別操作，最后再整合。這也是為什么在實現(xiàn) MD5算法時，用 ADSP-2186N實現(xiàn)不如TMS320VC5402有效的主要原因。實現(xiàn) 32 位與運算實現(xiàn) 32 位加法運算 TMS320VC5402實現(xiàn)a=db1(*ar2);b=b & a;b=b+db1(*ar1);b=db1(*ar3);ADSP-2186N實現(xiàn)ay0=DM(i0,m1);ar=ax0 and ay0,ay1=DM(i0,m1);sr0=ar;sr1=ar;ay0=DM(i0,m1);AR=AX0+AY0,ay1=DM(

13、i0,m1);AR=AX1+AY1+C,AX0=AR;AR;AX1=AR;另外，兩者在編程時還有一些不同，例如， TMS320VC5402有標號必須頂格寫等要求?？偟膩碚f， TMS320VC5402指令系統(tǒng)中有不少的“禁忌”，需要經(jīng)驗積累才可以發(fā)現(xiàn)，這就給編程者帶來了不便。兩款 DSP芯片實現(xiàn) Geffe 發(fā)生器和 MD5算法的具體結(jié)果如表3 所示。比較項目程序大小 / 字需要指令周期數(shù)需要時間/ sGeffe 發(fā)生器 TMS320VC5402ADSP-2186N252188444,816268,2994,448.163,353.74MD5算法 TMS320VC5402ADSP-2186N90

14、03,00934.0037.61可以看出，實現(xiàn) Geffe 發(fā)生器時， ADSP-2186N較快，主要是因為其指令系統(tǒng)的單周期性；實現(xiàn) MD5算法時， TMS320VC5402稍快，主要原因是它支持 32 位操作。2.3其它總而言之，從技術(shù)上看， ADSP-218X系列稍占優(yōu)勢。但目前的實際情況是： 1999 年 TI 占有全球 DSP市場 48%的份額，市場排名第一。 2000 年其市場占有率也是第二名的兩倍多。尤其在中國，高層占有率在 80%左右。主要原因如下：第一是價格。性能相近的芯片， TI 比 ADI 要便宜很多。如TMS320VC5402的單片價格為 $5.66 ，ADSP-2186N的單片價格則為$8.50 。從性價比看， TI 占優(yōu)勢。從產(chǎn)品效益看，如果大指生產(chǎn)，顯然 TI 的芯片實惠。第二是服務(wù)。這里指的是指生產(chǎn)商提供的服務(wù)。 TI 公司有非常完善的服務(wù)體系，從產(chǎn)品宣傳到課程培訓，非常齊全。 ADI 公司這方面略有不足。第三是第三方服務(wù)。 市場上支持 TI 芯片的第三方服務(wù)要比支持 ADI 的多，這也是由于 TI 芯片的市場占有率高的緣故。反過來，大量支持 TI 芯片的第三方服務(wù)， 又保證了 TI 芯片的市場占有率。 兩者是相輔相成的關(guān)系。第四是繼承性。 DSP芯片有其特殊性，不同公司的芯片，其編程方式差異很大。因此，程序員一旦