作者：Paul Wheeler，GP-DSP 部日本區域總監。

    全球領先的高性能信號處理解決方案供應商 Analog Devices, Inc. 較新發布 SHARC 處理器白皮書 -- SHARC 處理器的起源和演進。具體內容如下：

    1. 引言

    說到要求超高性能的前沿應用，就不得不提起ADI公司的SHARC處理器。隨著更高動態范圍、更高性能和更低成本等市場壓力的與日俱增，各種應用對浮點處理器的需求也在不斷增加。本文將介紹第一款SHARC處理器背后的歷史，并討論其架構的創新，這使得這款處理器在18年的數字信號處理歷史中一直處于領先的地位。

    2．SHARC 處理器的歷史 -- 第一步

    “SHARC”是超級哈佛架構 (Super Harvard ARChitecture) 的縮寫，是 ADI 公司為他們的浮點處理器起的名字。SHARC 處理器在標準哈佛架構基礎上作了改進，不僅方便了PM (程序存儲器)總線上的數據傳送，并通過增加一個指令緩存優化了基于緊密循環的計算過程的吞吐性能。改進后的架構能夠同時存取數據和系數，并同時從指令緩存執行所選的指令，從而高效地實現了處理器的三總線操作模式。

    大家知道，SHARC 處理器較早起源于 ADSP-21020。這個浮點單指令單數據 (SISD) DSP 實際上是一個不帶嵌入式存儲器或外設的獨立計算內核。PM 和 DM（數據存儲器）存儲空間是通過連接到 SRAM 芯片的外部總線進行訪問的，通過 JTAG 接口對處理器進行編程和調試。

    ADSP-21020 可以在 33MHz 時鐘頻率下工作，執行單周期指令。ADSP-21020 可以利用80位累加器完成32位或40位浮點和32位定點運算，是 ADI 公司在1991年推向市場的突破性產品。這種內核技術是 ADI 公司對浮點性能和創新做出承諾的起始點。    

ADSP-21020架構

ADSP-21020評估系統：注意用于 PM 和 DM 空間的外部 DIP SRAM 組

集成與創新：SHARC 的誕生

    第一款真正的 SHARC 處理器是 ADSP-21060。ADI公司在ADSP-21020內核產品的基礎上開發出了一個完全集成的處理器，其中包括了用于控制集成外設的 DMA 流量的片上SRAM和I/O處理器。

    ADSP-21060 浮點處理器是1994年進入市場的，當時被認為是DSP性能和創新方面的頂尖水平。

    SHARC 內核能夠在一個周期內以高達 40MHz 的速度執行計算，并且增加了 I/O 處理器，能夠在不增加任何內核開銷的條件下，在外設和雙端口 4Mb SRAM 存儲器之間高速傳輸數據。

    為了進一步提高較終用戶的系統性能和可擴展性，ADI 設計團隊著手創建允許多處理器系統能共享數據并且開銷很小的機制。在外部端口邏輯中增加了一個簇總線控制器，可以無縫地進行處理器間的并行數據通信，每個簇較多可以有6個處理器。這種突破性技術允許系統架構師以高達 240MBps 的帶寬從主處理器向指定從處理器的內存直接傳送大量數據，或使用廣播模式向簇中的所有從器件直接發送數據。

    使用 ADI 的鏈路端口專利技術還能實現處理器間的高速通信。每個 ADSP-21060 集成了6個獨立的鏈路端口用于點到點通信，因此可以實現額外的 240MBps 的 I/O 帶寬。

第一代 SHARC ADSP-21062 評估平臺

    由于具有這種真正平衡的架構和擴展功能，SHARC 處理器被廣泛用于運算強度大的應用，如醫療成像、軍事雷達和電子游戲機。

    也許讓人不敢相信，具有這種功能的處理器在15年前就推向市場了，但讓許多人更加驚奇的是，這種處理器目前還在繼續為用戶所用！這是 SHARC 架構性能的良好擴展性以及 ADI 公司對質量和用戶滿意做出承諾的較好證明。

    第二代 SHARC 處理器將處理性能提升到了新的層次，它將內核架構擴展為單指令多數據(SIMD)系統，并將內核時鐘頻率提高到 100MHz。ADSP-2116x 系列處理器保持了與 ADSP-2106x SISD 處理器的源代碼的完全兼容性，而且經過少量代碼修改就能讓用戶發揮新增加的并行運算單元(寄存器文件 + 乘法器 + ALU + 桶式移位器)的作用，與上一代 SHARC 相比可以將周期性能指標提高一倍。

    為了在不降低周期性能的條件下方便到這個新增加的運算單元的數據傳送，內部的 PM 和 DM 數據總線寬度都增加到了64位，同時在ADSP-21161上集成了48位寬 100MHz SDRAM 控制器來增加 I/O 數據傳送帶寬，從而能夠實現高達 600MBps 帶寬的數據傳送能力。

    就像上一代 SISD SHARC 一樣，第二代 SHARC 保留了支持簇總線系統架構的多處理器無膠合連接，以及通過鏈路端口的點到點連接，使性能升級路線圖更加簡單清晰。

    就像上一代 SISD SHARC 一樣，第二代 SHARC 系列器件被醫療、工業和軍事應用所廣泛采用，而且由于額外集成了支持時分復用 (TDM) 和 I2S 格式的串行端口 (SPORT)，專業音響和高端消費/汽車音響設備很快地利用到了該處理器的浮點運算提供的大動態范圍優勢。

    第三代 SHARC 處理器開始跳出多處理器應用空間，主動迎接新的挑戰。由于在音頻應用中具有明顯的浮點處理優勢，SHARC 技術開發的重點開始轉向以較低系統成本努力增加片上處理功能。

    以這個目標開發并推向市場的第一批處理器是 ADSP-2126x 系列。就像 ADSP-2116x 一樣，ADSP-2126x 采用 SIMD 架構使運算性能較大化。除了將內核性能翻倍達到200MHz外，ADSP-21266處理器還是 SHARC 系列中首個內置片上掩膜 ROM 的產品。集成 4Mb ROM 降低了系統復雜性和成本，將曾經給人們留下“高成本”印象的浮點型 DSP 推向了消費類音頻領域。

第三代 SHARC 中引入的 DAI 能顯著減少引腳數量和降低成本的例子

    為了進一步降低硬件系統設計的復雜性，ADI 公司開發出了名為“數字應用接口”(DAI)的創新性外設。與以前的 SHARC 和同類競爭性產品將引腳功能固定下來不同，DAI 允許用戶將任何外設功能分配到他們想要的任意一個外部引腳。對于音頻系統來說，這意味著當系統輸入輸出要求發生改變時，音頻時鐘域可以隨時通過軟件分配到引腳并路由到串行端口。這種靈活性可以顯著減少為了支持特殊系統規范所需的外部引腳數量，有助于硬件設計的簡化，幫助用戶進一步降低成本。

     ADSP-2136x 繼承了 ADSP-2126x 節省成本的優點，并增加了先進的音頻信號鏈集成方法。內核性能提高了60%以上，達到 333MHz，內部 SRAM 可增加到 3Mb。另外還集成了許多針對音頻的外設，如高性能異步采樣率轉換器 (ASRC)、SPDIF 收發器和 DTCP 加密引擎，從而進一步優化了可編程性能和音頻系統 BOM 成本，鞏固了 ADI 在音頻市場中的領導地位。在這一系列的高性能產品中還集成了工作頻率高達 166MHz 的32位 SDRAM 接口，以增加 I/O 帶寬，同時有利于數據密集應用使用批量生產的存儲器。

    基于這種突破性的音頻系統集成和性價比領先優勢，第三代 SHARC 系列不僅在專業音頻領域，而且在消費音頻應用(如家庭影院系統、AV 放大器)中得到了廣泛應用，為新一代高清音頻標準 (DTS Master Audio和Dolby Tru-HD) 推向市場發揮了重要作用。
 
第四代 SHARC 系列 -- ADSP-2146x

第四代 SHARC：ADSP-2146x 架構框圖

    第三代SHARC 處理器在優化性價比方面取得了成功，推動浮點處理器進入了對成本敏感的消費類應用，而這類應用曾被人們認為是不可能使用昂貴的浮點處理器的。

    ADI 公司現在面臨著一個有意思的挑戰：如何進一步改進具備優異性價比的浮點處理器？

    在定義第四代處理器時，產品開發團隊注重的是核心價值，正是它們使得 SHARC 一直處于浮點 DSP 技術的前沿：

    -- 市場領先性能
    -- 架構平衡
    -- 性能可擴展性
    -- 智能集成

    下面將詳細介紹上述每個關鍵的方面。

ADSP-2146x 性能增強

    在 ADSP-2136x 系列內核改進的基礎上，ADI 的 SHARC 開發團隊制定了更高的性能目標，并采用臺積電 (TSMC) 的 65nm 硅工藝繼續優化性能和成本平衡。通過仔細的工程設計和規劃，ADI 在2008年11月正式發布了ADSP-2146x 系列處理器，其內核性能可達 450MHz，與較接近的競爭產品相比幾乎高出30%。然而，ADI 設計團隊并不滿足于僅僅增強性能，開始尋求創新的方式來大幅度提高運算性能，同時對功耗和成本的影響降至較小。

    許多工程師利用浮點處理器提供的寬動態范圍實現各種算法，如圖案檢測、數據壓縮/解壓縮、加密/解密和自適應濾波。在其中的許多運算密集型算法中，快速傅里葉變換 (FFT)、有限沖擊響應 (FIR) 濾波器和無限沖激響應 (IIR) 濾波器等一些基本的信號處理單元得到了廣泛使用，并作為大多數數字信號處理應用的基礎。專注于這些內核信號處理構建模塊的 ADI 公司開始將這些功能集成進 2146x DMA 架構中，以便進