Syntetiserbara processorkärnor med inbyggda DSP-funktioner är i ropet just nu. Advanced Risc Machines, Arc Cores, Mips och Lexra är fyra företag som presenterat varsin sådan mjuk processorkärna på sistone.


Allt fler inbyggda system kräver DSP-funktioner för att klara signalbehandling i realtid. I många fall har faktiskt signalprocessorn blivit viktigare än styrfunktionen.

De flesta leverantörer av processorkärnor har därför valt att krydda sina processorkärnor med DSP-tillägg för heltal. I samband med årets konferens för inbyggnadsprocessorer, Embedded Processor Forum, lanserades hårda, mjuka och även konfigurerbara processorkärnor för inbyggnad. Alla med varierande taktik för snabb signalbehandling.

Arc Cores konfigurerbara bidrag är kanske det mest omtalade av alla. Företaget säljer en riscbaserad 32-bitars processorkärna, där den som köper kärnan kan anpassa funktionen efter egna behov. Ett grafiskt program genererar syntetiserbar kod innan kärnan implementeras i en asic eller FPGA.

För att förbättra prestanda har Arc numera lagt till en flexibel 32-bitars Mac- enhet som utför Mac-instruktioner, det vill säga en instruktion som multiplicerar två register och sedan adderar resultatet till ett tredje register.

- Olika algoritmer för signalbehandling har olika krav på noggrannhet. Det är därför bra att kunna konfigurera Mac-enheten, säger James Hakewill som ansvarar för Arcs processorarkitektur.

Processorn har sedan tidigare en Mac-enhet om 16 ¥ 16 bitar. Den nya konfigurerbara Mac-enheten, kallad XMAC, stöder emellertid både storleken 24 ¥ 24 och 16 ¥ 16 bitar samt dubbla enheter om 16 ¥ 16 bitar. Data för Mac- enheterna sköts av ett konfigurerbart XY-minne, medan användaren har fått möjlighet att välja storlek samt längd på cacheminnet för instruktioner. Kärnan har även fått nya instruktioner för mättad (saturated) aritmetik vilket behövs för att programmera vissa DSP-algoritmer.

Arcs anpassningsbara kärna klarar 280 Mips vid 250 MHz i en vanlig 0,25 μm- process. Om en lågeffektsprocess däremot används, exempelvis Xemics 1,2 voltsprocess, kan kärnans effektförbrukning minskas med en faktor tio, till endast 0,05 mW/MHz, och ändå klockas med 40 MHz.



Arm satsar åter på DSP-lösning


Liksom Arc har Arm försett sin nykomling Arm9e med en mer flexibel Mac-enhet som numera stöder 32 ¥ 16 och 16 ¥ 16 bitars Mac-instruktioner. Instruktionsuppsättningen har även utökats med heltalsinstruktioner för mättad aritmetik samtidigt som multipliceringen har blivit snabbare.

Detta är faktiskt Arms andra försök till en DSP-lösning. Företagets hybridkärna, Piccolo, som kombinerade en riscprocessor med en digital signalprocessor fick emellertid aldrig något genombrott.

- Att Arm9E består av en enda processorkärna gör den mycket mer kompilatorvänlig än Piccolo, säger John Rayfield från Cambridgeföretaget Arm.

Ett fungerande verktygsflöde, som även inriktar sig på DSP-instruktioner, är också mycket viktigt för nya arkitekturer, tillägger John Rayfield. I både Arc och Arms nya kärnor får programmerarna större möjlighet att använda programmeringsspråket C, som är lättare att skriva än assembler.

I första hand kommer Arm att erbjuda en fullt syntetiserbar kärna, som kan modifieras av konstruktören efter behov. Företaget har dock planer på att även erbjuda en hård kärna framöver, alltså en kärna med färdig layout för en specifik process.

Det är framför allt mobiltelefonleverantörer som hitintills har lockats av Arms strömsnåla processorkärnor, men de lovande DSP-musklerna hos företagets 32- bitarskretsar kan kanske även öppna dörren till morgondagens bilelektronik. Ljudgenerering och enkretslösningar som ger tal-över-IP har också nämnts som möjliga tillämpningar.



Superskalär Signalbehandling


Den tredje nya processorkärnan försedd med DSP-funktioner kommer från Lexra, en IP-leverantör känd för att klona Mips processorarkitektur utan att först fråga. Lexras nya syntetiserbara IP-kärna, med beteckningen LX5280, kombinerar företagets Mipskärna, LX4180, med en superskalär digital signalprocessor.

Att processorn är superskalär innebär att två 16-bitars Mac-instruktioner kan exekveras parallellt under en klockcykel. Mips instruktionsuppsättning har utökats med hela 36 nya DSP-tillägg, kallade Radiax, som är gratis för alla licenstagare.

Genom att förena styr- och DSP-funktioner på en kärna kan man spara såväl yta som effekt. Lexra anger effektförbrukningen 225 mW vid 200 MHz och 1,8 V-matning till kärnan. Detta i en 0,18 μm-process. För att ge Lexra svar på tal påpekar Mips att företagets nya syntetiserbara kärna Mips32 4Kc, med smeknamnet Jade, redan klarar digital signalbehandling. På konferensen avslöjade Mips dessutom för första gången detaljer kring Jade; en 150 MHz 32-bitare som klarar 180 Mips.

- Eftersom alla våra konkurrenter skryter om DSP-funktioner vill vi betona att Jade faktiskt har en 32 ¥ 16 bitars Mac-enhet, säger Bruno Kajiyama, ansvarig för Mips 32- och 64-bitars processorer.

Susan Kelly