ADSP-2186M：高性能数字信号处理芯片的全方位解析

在数字信号处理（DSP）领域，ADSP - 2186M 是一款备受关注的单芯片微计算机，它专为 DSP 和其他高速数值处理应用而优化。下面，我们就来深入了解这款芯片的各个方面。

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一、芯片概述

ADSP - 2186M 结合了 ADSP - 2100 家族的基础架构，集成了两个串行端口、16 位内部 DMA 端口、字节 DMA 端口、可编程定时器、Flag I/O、强大的中断功能以及片上程序和数据存储器。它拥有 40K 字节的片上内存，包括 8K 字（24 位）的程序 RAM 和 8K 字（16 位）的数据 RAM，还具备掉电电路以满足电池供电便携式设备的低功耗需求。该芯片有 100 引脚 LQFP 封装和 144 球 Mini - BGA 封装可供选择。

此外，ADSP - 2186M 支持新指令，如位操作（位设置、位清除、位切换、位测试）、新的 ALU 常量、新的乘法指令（× 平方）、有偏舍入、无结果 ALU 操作、I/O 内存传输和全局中断屏蔽等，大大增强了其灵活性。

二、架构特点

（一）计算单元

芯片包含三个独立的计算单元：ALU、乘法器/累加器（MAC）和移位器。这些单元直接处理 16 位数据，并支持多精度计算。ALU 执行标准的算术和逻辑运算，还支持除法原语；MAC 执行单周期乘法、乘加和乘减操作，并具有 40 位的累加功能；移位器执行逻辑和算术移位、归一化、反归一化和导出指数操作，可有效实现数字格式控制。

（二）程序和数据处理

强大的程序序列器和两个专用数据地址生成器确保了操作数的高效传递。序列器支持单周期的条件跳转、子程序调用和返回，通过内部循环计数器和循环栈，可实现零开销的循环代码执行。两个数据地址生成器（DAGs）为同时从数据存储器和程序存储器中获取双操作数提供地址，每个 DAG 维护和更新四个地址指针，并可实现自动模寻址。

（三）内部总线

芯片通过五条内部总线实现高效的数据传输，包括程序存储器地址（PMA）总线、程序存储器数据（PMD）总线、数据存储器地址（DMA）总线、数据存储器数据（DMD）总线和结果（R）总线。地址总线和数据总线分别共享外部地址总线和外部数据总线，使内存能够扩展到片外。

（四）端口功能

1. 16 位内部 DMA 端口（IDMA 端口）：可用于与外部系统进行通信，提供对 DSP 片上程序和数据 RAM 的透明直接访问。
2. 字节 DMA 端口（BDMA 端口）：提供与低成本字节宽内存的接口，可直接寻址多达 4 兆字节的外部 RAM 或 ROM，用于存储程序覆盖或数据表。

（五）中断和串行端口

ADSP - 2186M 可响应 11 个中断，包括最多 6 个外部中断和 7 个内部中断。两个串行端口提供完整的同步串行接口，具有可选的硬件压扩功能和多种数据传输和接收模式。

三、低功耗模式

ADSP - 2186M 具有三种低功耗模式，可显著降低设备在待机条件下的功耗：

（一）掉电模式

处理器可通过硬件或软件控制进入极低功耗的休眠状态，具有快速恢复、支持外部时钟、支持晶体操作等特点，还可通过掉电引脚或软件掉电强制位启动，掉电中断可作为不可屏蔽的边缘敏感中断。

（二）空闲模式

处理器在低功耗状态下无限期等待，直到发生未屏蔽的中断，此时继续执行 IDLE 指令后的指令，IDMA、BDMA 和自动缓冲周期窃取仍会发生。

（三）慢空闲模式

IDLE 指令得到增强，可减慢处理器的内部时钟信号，进一步降低功耗。通过在 IDLE 指令中指定可选的除数，可将时钟频率降低为正常时钟速率的可编程分数。

四、系统接口

（一）时钟信号

芯片可由晶体或 TTL 兼容的时钟信号提供时钟。CLKIN 输入在正常操作期间不能停止、更改或低于指定频率，除非处于掉电状态。外部时钟应是 TTL 兼容信号，频率为指令速率的一半。芯片还可使用外部晶体，通过 CLKIN 和 XTAL 引脚连接，并需连接两个电容。

（二）复位

RESET 信号用于启动 ADSP - 2186M 的主复位，在加电序列期间必须断言该信号以确保正确初始化。复位会设置所有内部堆栈指针为空栈状态，屏蔽所有中断，并清除 MSTAT 寄存器。

（三）电源供应

芯片具有独立的内部（VDDINT）和外部（VDDEXT）电源供应连接。内部电源必须满足 2.5V 要求，外部电源可连接到 2.5V 或 3.3V 电源。所有外部电源引脚必须连接到同一电源，所有输入和 I/O 引脚可承受高达 3.6V 的输入电压。

（四）操作模式

1. 内存模式选择：通过 Mode C 引脚在芯片复位期间选择内存模式，有被动配置和主动配置两种方法。
2. IACK 配置：在不同的 Mode D 和主机模式下，IACK 具有不同的特性。

（五）内存架构

1. 程序存储器：在全内存模式下，是 24 位宽的空间，可存储指令操作码和数据，芯片有 8K 字的片上程序存储器 RAM，并可通过外部数据总线访问多达两个 8K 的外部内存覆盖空间；在主机模式下，可访问所有内部内存，但外部覆盖访问受单个外部地址线（A0）限制。
2. 数据存储器：在全内存模式下，是 16 位宽的空间，用于存储数据变量和内存映射控制寄存器，芯片有 8K 字的片上数据存储器 RAM，部分空间用于 32 个内存映射寄存器，还支持通过外部数据总线访问多达两个 8K 的外部内存覆盖空间；在主机模式下，可访问所有内部内存，外部覆盖访问受单个外部地址线（A0）限制。
3. 内存映射寄存器：ADSP - 2186M 有三个与其他 ADSP - 21xx 系列 DSP 不同的内存映射寄存器，提供了等待状态和 BMS 控制功能。
4. I/O 空间：支持一个额外的外部内存空间，即 I/O 空间，用于连接外设或总线接口 ASIC 数据寄存器，支持 2048 个位置的 16 位宽数据。
5. 复合内存选择（CMS）：可编程的内存选择信号，可组合多个内存选择信号的功能。
6. 字节内存选择（BMS）：BMS 禁用功能与 CMS 引脚结合，可在字节内存空间中使用多个内存。
7. 字节内存：是一个双向的 8 位宽外部内存空间，用于存储程序和数据，通过 BDMA 功能访问，支持四种不同的数据格式。
8. 内部内存 DMA 端口（IDMA 端口）：提供主机系统与 ADSP - 2186M 之间的高效通信方式，可访问 DSP 的片上程序和数据存储器。

（六）引导加载

芯片有两种自动加载内部程序存储器的机制，通过 Mode A、B 和 C 配置位控制。当指定 BDMA 引导时，芯片会启动 BDMA 引导序列；也可通过 IDMA 端口引导程序。

（七）总线请求和总线授予

芯片可将数据和地址总线的控制权让给外部设备。当外部设备需要访问内存时，断言总线请求（BR）信号，芯片在满足条件时会响应，三态化数据和地址总线及输出驱动器，断言总线授予（BG）信号，并暂停程序执行。

（八）标志 I/O 引脚

芯片有八个通用可编程输入/输出标志引脚，由两个内存映射寄存器控制。此外，还有五个固定模式标志。

五、指令集

ADSP - 2186M 的汇编语言指令集采用代数语法，易于编码和阅读。每个指令可在单个指令周期内执行，语法是 ADSP - 2100 家族汇编语言的超集，与其他家族成员完全兼容。具有 16 个条件代码，支持多函数指令，可在单个指令周期内并行执行算术指令和最多两次取数或一次写入操作。

六、开发系统

（一）开发软件

ADSP - 2100 家族开发软件为 ADSP - 2186M 提供了一套完整的软硬件系统开发工具，包括系统构建器、汇编器、链接器和模拟器等。

（二）EZ - KIT Lite

这是一个硬件/软件套件，为 ADSP - 218x 家族提供了完整的评估环境，包括基于 ADSP2189M 的评估板、PC 监控软件以及汇编器、链接器、模拟器和 PROM 分割器软件。

（三）ADSP - 218x EZ - ICE® 仿真器

用于 ADSP - 2186M 系统的硬件调试，芯片集成了片上仿真支持和 14 引脚 ICE - Port 接口，提供了更简单的目标板连接方式。

七、设计 EZ - ICE 兼容系统

（一）ICE - Port 接口

芯片的 ICE - Port 接口由特定的引脚组成，这些引脚仅在仿真期间使用，无需上拉或下拉电阻，信号走线应尽可能短。

（二）目标板连接器

目标系统需要有一个 14 引脚的连接器来接受 EZ - ICE 的在线探头，该连接器有特定的规格要求。

（三）目标内存接口

目标系统的内存接口应符合数据手册中规定的最坏情况设备时序要求和开关特性。

（四）目标系统接口信号

EZ - ICE 仿真会对系统信号产生一些影响，设计系统时应考虑这些变化。

八、规格参数

（一）推荐工作条件

包括不同等级下的电源电压、输入电压和环境温度范围。

（二）电气特性

涵盖输入输出电压、电流、电容等参数。

（三）绝对最大额定值

规定了芯片所能承受的最大应力。

（四）时序规格

包括时钟信号、复位、中断和标志、总线请求 - 总线授予、内存读写、串行端口、IDMA 地址锁存等方面的时序要求和开关特性。

（五）环境条件

给出了不同封装形式下的热阻参数。

（六）功耗

提供了计算总功耗的方法和示例。

（七）输出驱动电流

展示了输出驱动器的典型 I - V 特性曲线。

（八）电容负载

给出了输出上升时间和有效延迟或保持时间与负载电容的关系曲线。

（九）测试条件

定义了输出禁用时间和输出启用时间的测量方法。

九、引脚描述

（一）通用模式引脚

包括复位、总线请求、总线授予、内存选择等引脚的功能。

（二）内存接口引脚

根据不同的操作模式（全内存模式和主机模式），引脚具有不同的功能。

（三）未使用引脚的端接

给出了未使用引脚的推荐端接方法。

十、总结

ADSP - 2186M 凭借其强大的计算能力、丰富的功能、灵活的架构和低功耗特性，在数字信号处理领域具有广泛的应用前景。无论是在通信、音频处理还是工业控制等领域，它都能为工程师提供一个高效、可靠的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体需求合理选择芯片的操作模式、配置引脚和设置参数，以充分发挥其性能优势。同时，在使用开发工具和进行系统设计时，要注意遵循相关的规范和要求，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用 ADSP - 2186M 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。