ADSP-21560/21561/21564/21568：高性能SHARC+单核心DSP的深度剖析

在电子设计领域，高性能数字信号处理器（DSP）一直是实现复杂信号处理任务的核心组件。ADSP-21560/21561/21564/21568作为Analog Devices推出的SHARC+单核心高性能DSP，凭借其卓越的性能和丰富的功能，在汽车、消费电子等多个领域展现出强大的应用潜力。

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一、处理器概述

ADSP-21560/21561/21564/21568属于SHARC®产品家族，基于SHARC+®单核心架构，具备高达1 GHz的处理速度。这些32位/40位/64位浮点处理器针对高性能音频和浮点应用进行了优化，拥有大容量片上静态随机存取存储器（SRAM）、多条内部总线以消除输入/输出（I/O）瓶颈，以及创新的数字音频接口（DAI）。

1. 核心性能参数

不同型号的处理器在SHARC+核心的最大频率、L1 SRAM和系统内存L2 SRAM等方面存在差异。例如，ADSP-21568的SHARC+核心最大频率可达1000 MHz，L1 SRAM为640 kB，系统内存L2 SRAM为2048 kB。

2. 封装选项

提供120 - 引脚LQFP_EP和400 - 球CSP_BGA两种封装选项，以满足不同应用场景的需求。其中，400 - 球CSP_BGA封装适用于ADSP - 21568，而其他型号则采用120 - 引脚LQFP_EP封装。

二、SHARC处理器架构

1. 内存架构

SHARC处理器采用改进的哈佛架构和分层内存结构。L1内存通常以全处理器速度运行，延迟极小。SHARC+核心拥有紧密耦合的5 Mb L1 SRAM，可在单周期内访问代码和数据。内存可配置为不同的代码和数据存储组合，支持多种字长的访问，包括8位、16位、32位、48位和64位。

2. 指令和数据缓存

处理器包含传统的指令缓存（I - cache）和两个数据缓存（D - cache），支持每CCLK周期进行一次指令访问和两次数据访问。缓存控制器自动管理配置的L1内存，可独立配置缓存大小，确保数据一致性，并提供用户可控的功能，如全锁定和部分锁定、范围边界无效化和刷新。

3. 核心架构

ADSP-21560/21561/21564/21568处理器与所有先前采用SHARC或SHARC+核心的SHARC处理器在汇编代码上兼容。其SIMD架构包含两个计算处理单元（PEx和PEy），可作为单指令多数据（SIMD）引擎运行，提高数学密集型DSP算法的执行效率。

4. 其他特性

还具备额外的定时器、数据寄存器文件、上下文切换、通用寄存器、数据地址生成器（DAG）、灵活的指令集架构（ISA）和可变指令集架构（VISA）等特性，进一步提升了处理器的性能和灵活性。

三、系统基础设施

1. 系统L2内存

提供高达16 Mb（2 MB）的系统L2 SRAM，可用于加速器和外设的源和目标内存、DMA描述符存储、额外数据存储以及数据系数表缓存，以避免外部内存延迟和减少外部内存带宽。

2. 一次性可编程内存（OTP）

具备7 kb的一次性可编程内存，可用于存储自定义密钥，支持安全启动和安全操作。

3. I/O内存空间

映射的I/O包括SPI2或xSPI0内存地址空间，为系统的外部通信提供了丰富的接口。

4. 系统交叉开关（SCBs）

作为片上系统总线互连的基本构建块，SCBs提供高效的流水线总线传输协议、全双工总线操作、并发总线传输支持和选择性总线互连保护。

5. 直接内存访问（DMA）

支持多种DMA操作，包括描述符基和寄存器基的DMA传输，可在内存空间之间或内存空间与外设之间高效传输数据。

6. 循环冗余校验（CRC）保护

CRC保护模块可计算内存中代码、数据或两者的签名，并与预计算值进行比较，触发相应的故障事件，提高系统的可靠性。

7. 事件处理

支持嵌套和优先级的事件处理，可处理仿真事件、复位事件、异常事件和中断事件，确保系统的稳定运行。

8. 系统事件控制器（SEC）

负责全面的系统事件源管理，包括中断使能、故障使能、优先级和源分组，提供确定性的事件传播和唯一的事件源标识。

9. 触发路由单元（TRU）

提供系统级序列控制，可自动触发DMA序列、软件触发和同步并发活动，提高系统的自动化程度。

四、安全特性

1. 加密硬件加速器

支持基于标准的硬件加速加密、解密、认证和真随机数生成，包括AES、DES、3DES、ARC4等加密算法和SHA - 1、SHA - 2、HMAC、MD5等哈希函数。

2. 系统保护单元（SPU）

提供写保护机制，防止对MMR空间的意外或不必要访问，并定义系统中的安全和非安全资源，阻止非安全请求者访问安全资源。

3. 系统内存保护单元（SMPU）

对定义的内存区域提供读写保护，确保系统内存的安全性。

五、安全特性

1. 多奇偶校验位保护

SHARC+核心L1内存、L2内存和外设内存均采用奇偶校验保护，可检测单事件翻转和奇数个错误位。

2. 循环冗余校验（CRC）保护

两个CRC引擎嵌入在内存到内存DMA控制器中，可保护L1和L2内存的系统错误和静态内容，确保数据的完整性。

3. 信号看门狗

10个通用定时器可用于监控外部信号的周期和脉冲宽度，检测系统级信号的异常。

4. 系统事件控制器（SEC）

支持故障管理，包括故障动作配置、超时、内部指示和系统复位，确保系统在出现故障时能够及时响应。

5. 内存错误控制器（MEC）

管理内存奇偶校验/ECC错误和警告，发送中断和触发信号，保障系统的稳定性。

六、处理器外设

1. 数字音频接口（DAI）

支持两个DAI单元，可通过信号路由单元（SRU）连接各种外设，提供灵活的音频接口配置。

2. 串行端口（SPORT）

具备八个同步串行端口，可与多种数字和混合信号外设设备接口，支持多种串行通信模式。

3. 异步采样率转换器（ASRC）

包含八个ASRC块，可提供高达140 dB的信噪比，实现同步或异步采样率转换，确保音频数据的高质量处理。

4. S/PDIF - 兼容数字音频接收器/发射器

支持标准的音频数据传输格式，可实现数字音频信号的传输，支持多种采样率和专业抖动标准。

5. 精密时钟发生器（PCG）

由四个单元组成，可生成时钟和帧同步信号，为系统提供精确的时钟源。

6. 通用异步接收器/发射器（UART）端口

提供全双工UART端口，支持多种数据位和奇偶校验，可实现异步串行数据传输。

7. 串行外设接口（SPI）端口

具备三个SPI - 兼容端口，支持多种操作模式和配置选项，可与多个SPI - 兼容设备通信。

8. xSPI与八进制和HyperBus支持

xSPI0端口提供更高的外部内存数据总线宽度和双数据速率（DDR）操作模式，提高系统的整体数据吞吐量和性能。

9. 定时器

包括通用定时器、看门狗定时器和通用计数器，可用于定时、监控和计数等功能。

10. 媒体本地总线（MediaLB）

汽车型号具备MediaLB设备接口，支持3 - 引脚媒体本地总线协议，可实现高速数据传输。

11. 2 - 线控制器接口（TWI）

提供简单的控制数据交换方法，兼容I2C总线标准，支持7 - 位寻址和多媒体数据仲裁。

12. 通用I/O（GPIO）

每个GPIO引脚可单独控制，支持输入/输出方向设置、中断功能和电平/边缘敏感设置。

七、系统加速

1. 有限脉冲响应（FIR）加速器

由1024字系数内存、1024字深度延迟线和四个乘法累加器（MAC）单元组成，可在核心时钟频率下运行，与IIR加速器并发工作。

2. 无限脉冲响应（IIR）加速器

包含1440字系数内存和一个MAC单元，同样可在核心时钟频率下运行，与其他加速器并发工作。

八、系统设计

1. 时钟管理

提供三种操作模式，通过控制处理器外设的时钟来降低功耗。

2. 复位控制单元（RCU）

控制所有功能单元的复位和退出复位过程，确保系统在复位时处于定义状态。

3. 时钟生成单元（CGU）

支持一个PLL，可根据外部时钟源灵活确定内部时钟频率。

4. 系统晶体振荡器

可由外部晶体、正弦波输入或缓冲时钟驱动，确保系统时钟的稳定性。

5. 时钟分配单元（CDU）

将时钟输出分配到各个目标，确保时钟信号的准确传输。

6. 时钟输出/外部时钟

SYS_CLKOUT输出引脚可输出分频后的片上时钟，提供灵活的时钟配置选项。

7. 启动

支持多种启动模式，包括闪存启动和外部主机启动，可实现自动加载内部和外部内存。

8. 电源供应

具备独立的内部、外部I/O和PLL/OTP高电压电源供应，确保系统的稳定运行。

9. 电源管理

支持三种不同的电源域，可根据系统需求灵活调整功耗。

10. 目标板JTAG仿真器连接器

通过IEEE 1149.1 JTAG测试访问端口，可实现对目标板处理器的监控和控制。

九、系统调试

处理器提供调试访问端口（DAP），支持IEEE 1149.1 JTAG接口，方便进行系统调试。

十、开发工具

Analog Devices为该处理器提供了完整的软件和硬件开发工具，包括集成开发环境（IDE）、评估产品、仿真器和各种软件插件，帮助工程师快速开发和调试应用程序。

十一、总结

ADSP-21560/21561/21564/21568处理器以其高性能、丰富的功能和强大的安全特性，为电子工程师在汽车、消费电子等领域的设计提供了理想的解决方案。通过深入了解其架构和特性，工程师可以充分发挥处理器的优势，实现更加复杂和高效的信号处理应用。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择处理器型号和配置，优化系统设计，以确保系统的性能和可靠性。同时，借助Analog Devices提供的开发工具，我们可以更加高效地进行开发和调试，缩短产品的开发周期。大家在使用这款处理器的过程中，有没有遇到什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。