面向無線通信數(shù)字信號(hào)處理的微處理器設(shè)計(jì)探究

蔣同濟(jì) ，莊 銳 ，張 穎

（1.西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

隨著現(xiàn)代社會(huì)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信數(shù)字信號(hào)處理器開始向微處理器方向發(fā)展。其中的微處理器在如今的市面上有著三種主流類型。其一是傳統(tǒng)的通用中央處理器，中央處理器應(yīng)用范圍廣但性能表現(xiàn)一般，也不適用于一些專用的場(chǎng)合。其二是應(yīng)用較為專業(yè)的微控制器，在工業(yè)生產(chǎn)中，微控制器適用精度較高的工業(yè)領(lǐng)域，為工業(yè)的發(fā)展提供了更為高效的控制設(shè)備。其三是數(shù)字信號(hào)處理器，適用各種數(shù)字信號(hào)處理，如信號(hào)、語音、圖像等處理，有著傳遞速度快、傳遞穩(wěn)定的特點(diǎn)。

1 處理器分類

1.1 根據(jù)處理器的指令集進(jìn)行分類

處理器根據(jù)許多不同的參數(shù)可以進(jìn)行多種分類，使得處理器的應(yīng)用精確度更為準(zhǔn)確。根據(jù)處理器的指令集的類型進(jìn)行分類可以將微型處理器分為簡單指令的精簡處理器與復(fù)雜指令的復(fù)雜處理器，微處理器在依據(jù)指令處理方式的不同對(duì)微處理器的處理方式進(jìn)行分類。在處理精簡指令的微處理器中，處理器所處理的每條指令長度相等且分類比較規(guī)范，廣泛適用于指令差距較小的信號(hào)處理，具有處理速度快，處理功耗低的特點(diǎn)。應(yīng)用于較長指令處理的復(fù)雜處理器所處理指令種類較多且指令數(shù)量比較分布，但處理的指令長度不一定相等，指令比特差較大，所以復(fù)雜指令處理的處理難度跨度也比較大，并不適用于普通的簡單指令處理，在處理復(fù)雜的指令時(shí)，微處理器的處理速度也比較緩慢，功耗也相對(duì)大得多，是一種不適宜進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的微處理器，需要對(duì)其進(jìn)行改良。

1.2 根據(jù)處理架構(gòu)進(jìn)行分類

在微處理器的應(yīng)用中，按照內(nèi)部架構(gòu)對(duì)處理器進(jìn)行分類主要可以將其分為馮諾依曼結(jié)構(gòu)處理器、哈弗結(jié)構(gòu)處理器和改進(jìn)版哈弗結(jié)構(gòu)處理器三種類型。馮諾依曼處理器使用地址總線對(duì)指令進(jìn)行處理，總體結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)總線、控制總線和地址總線三條線構(gòu)成，由不同的模塊對(duì)分復(fù)使用，具有一定的局限性，主要使用環(huán)境為早期一些無具體規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的車間進(jìn)行使用。哈弗處理器有著較為獨(dú)特的指令處理結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，哈弗處理器加固數(shù)據(jù)總線與指令總線分開，從不同的線路同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)與指令進(jìn)行處理，最大化的利用處理器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)空間。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，在處理數(shù)據(jù)和指令時(shí)共用同一個(gè)存儲(chǔ)器，可以最大化的利用處理器的運(yùn)行效率，從根本上提高處理器的運(yùn)行效率。這樣獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使得處理器運(yùn)行處理速度加快，同時(shí)也適用于在處理器運(yùn)行過程中對(duì)處理的指令進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

1.3 根據(jù)數(shù)據(jù)指令類型進(jìn)行分類

在處理器的類型分類中，按照FLY的分類學(xué)對(duì)數(shù)據(jù)與指令之間可將數(shù)據(jù)與指令之間的關(guān)系分為四類，由此可以對(duì)處理器進(jìn)行分類。其中單指令單數(shù)據(jù)適用標(biāo)量處理器的數(shù)據(jù)處理過程中，是主要的數(shù)據(jù)處理器類型，應(yīng)用于各種工業(yè)的數(shù)據(jù)處理工作中。其中單指令多數(shù)據(jù)適用數(shù)據(jù)的并行化處理，例如現(xiàn)行處理器市面上常見的圖像數(shù)據(jù)處理類型。其中多指令單數(shù)據(jù)處理器適用在異構(gòu)多核結(jié)構(gòu)的處理平臺(tái)，通過對(duì)數(shù)字信號(hào)的同一類型的數(shù)據(jù)的不同指令進(jìn)行同時(shí)處理，將其進(jìn)行處理后可以得到同一種結(jié)果，有著較高的數(shù)據(jù)處理容錯(cuò)率。以上幾種數(shù)據(jù)處理器是常見的數(shù)據(jù)處理其類型，除此之外數(shù)據(jù)處理器還有著許多種不同的分類，市面上根據(jù)處理器的應(yīng)用類型對(duì)處理器進(jìn)行分類，以滿足不斷發(fā)展的工業(yè)技術(shù)的需求。

2 無線通信數(shù)字信號(hào)處理的微處理器設(shè)計(jì)

2.1 處理器指令集的設(shè)計(jì)

指令集的設(shè)計(jì)是影響微處理器性能的主要參數(shù)，在指令集處理設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)處理器工作能力的不同對(duì)微處理器的類型進(jìn)行基礎(chǔ)分類。在微處理的數(shù)據(jù)處理能力構(gòu)成中，指令集的設(shè)計(jì)是影響其處理效率的主要外部環(huán)境因素，對(duì)指令集的提取與設(shè)計(jì)是主要影響處理器內(nèi)部架構(gòu)的工作。

2.2 對(duì)微處理器的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的微處理器類型可以將處理器架構(gòu)分成不同的種類，其中哈弗結(jié)構(gòu)處理器將數(shù)據(jù)處理與程序處理分開進(jìn)行存儲(chǔ)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問時(shí)，哈弗結(jié)構(gòu)的處理器只能使用存放和載入指令實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取，使用16位的數(shù)據(jù)總線和64kb的尋址空間，其地址總線高為14位，并將ADD作為尋址位和控制位。在哈弗結(jié)構(gòu)的處理器設(shè)計(jì)初期，因?yàn)闆]有對(duì)處理器的總線進(jìn)行完備的設(shè)計(jì)，使得處理器只能使用RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在設(shè)計(jì)微處理器架構(gòu)時(shí)，其存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)類型主要受到BRAM空間的影響，在架構(gòu)微處理器設(shè)計(jì)時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序處理器進(jìn)行統(tǒng)一的編址，在地址中根據(jù)設(shè)計(jì)的不同可以將空降分為程序段、數(shù)據(jù)段、外設(shè)段和中斷向量段等，根據(jù)其用處不同對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)分類。

2.3 微處理器編譯器的設(shè)計(jì)

編譯器是將數(shù)據(jù)處理的高級(jí)語言進(jìn)行編譯，將高級(jí)編程語言轉(zhuǎn)化成硬件可以直接處理的指令。編譯器是聯(lián)系高級(jí)編程語言與微處理器的硬件設(shè)備的重要連結(jié)點(diǎn)，是將復(fù)雜的指令數(shù)據(jù)簡化翻譯為微處理設(shè)備可以直接進(jìn)行使用的語句。因此在微處理器的工作過程中，其編譯的高級(jí)編程語言的數(shù)量與速度直接影響著微處理器處理信號(hào)的效率和質(zhì)量。因此，在微處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)中，微處理的編譯效率一直是處理器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，如何提高微處理運(yùn)行效率，行業(yè)內(nèi)部從提升編譯器設(shè)計(jì)質(zhì)量入手，對(duì)編譯器的參數(shù)進(jìn)行一個(gè)合理的配置，在通過專業(yè)的編程工具形成相應(yīng)的編譯器，其主要設(shè)計(jì)步驟如下所示。首先微處理器內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計(jì)將高級(jí)匯編語言通過微處理器進(jìn)行前端操作，通過編譯器對(duì)高級(jí)匯編語言進(jìn)行詞法解析，語法解析和語義解析，以此生成一個(gè)語法樹來幫助微處理器優(yōu)化語言變量。然后通過一個(gè)中間變量的語法樹的形成過程，對(duì)C語言編譯類型處理器中的a，b變量采用地址獲取方式，實(shí)現(xiàn)微處理器中源代碼中的與常數(shù)進(jìn)行相加的操作類型。通過以上的步驟來逐漸優(yōu)化微處理處理高級(jí)匯編語言的工作過程，將編譯器的優(yōu)化步驟進(jìn)行重點(diǎn)處理，通過提高編譯器對(duì)高級(jí)編程語言的加速處理能力來保證微處理對(duì)復(fù)雜指令和大量數(shù)據(jù)的分析和運(yùn)算能力。在代碼處理方面，微處理會(huì)將代碼進(jìn)行詳盡的分類，使得微處理器在代碼形成過程中，會(huì)將一些機(jī)器無關(guān)代碼交由EDA工具進(jìn)行分析處理，減緩微處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)分析壓力，使得其主要操作過程與原有的微處理無關(guān)，以此來全面的提高微處理的工作效力。

3 結(jié)語

新型的微處理器與傳統(tǒng)的中央處理器相比有著體積更小，處理速度更快，升級(jí)更為簡易，模塊化容易的特點(diǎn)，因此新型的微處理器廣泛應(yīng)用于無線數(shù)字通信信號(hào)設(shè)備的制造產(chǎn)業(yè)中。無線通信技術(shù)是決定我國當(dāng)今通信行業(yè)的高新技術(shù)，為全面推進(jìn)我國現(xiàn)代化強(qiáng)國的建設(shè)，作為高新技術(shù)行業(yè)的一部分的微處理器設(shè)計(jì)人員要從不斷完善自身專業(yè)水平入手，全身心投入到祖國的發(fā)展中去。