讓支援DSP應用的ADC 轉換器提供更高的資料產出率

haichao

今 天 ， 數 位 信 號 處 理 器 （ DSP ） 的 運 算 能 力 已 經 進 入 了 數 個 MIPS 的 範 疇 ， 而 要 達 到 這 麼 高 的 資 料 速 率 ， 整 個 演 算 過 程 就 必 須 在 元 件 內 部 的 記 憶 體 上 完 成 。 在 實 際 的 應 用 中 ， 受 到 了 外 部 資 料 頻 寬 的 影 響 ， 當 DSP 想 要 與 外 部 的 週 邊 電 路 溝 通 時 ， 例 如 類 比 ／ 數 位 轉 換 器 （ ADC ） 或 是 數 位 ／ 類 比 轉 換 器 （ DAC ） 元 件 ， 其 最 大 通 信 速 度 就 會 受 到 相 當 的 限 制 。 當 轉 換 速 率 超 過 1 MIPS 之 後 ， 想 要 即 時 取 得 ADC 上 的 資 料 ， 並 且 執 行 進 一 步 的 處 理 運 算 ， 這 個 工 作 通 常 都 會 變 得 極 為 困 難 。
由 於 序 列 界 面 的 資 料 傳 輸 速 率 極 慢 ， 因 此 在 高 轉 換 速 率 的 資 料 轉 換 器 當 中 ， 絕 大 多 數 都 會 包 含 一 個 平 行 界 面 ， 以 便 連 接 到 處 理 器 上 的 另 一 個 平 行 界 面 。 一 般 說 來 ， 處 理 器 都 會 利 用 「 中 斷 服 務 常 式 」 （ ISR ； Interrupt Service Routine ） 來 讀 取 ADC 上 的 資 料 ， 但 由 於 處 理 器 會 有 一 個 「 延 遲 時 間 」 ， 因 此 最 大 的 資 料 讀 取 速 度 就 受 到 了 一 定 的 限 制 。 舉 例 來 說 ， 隨 著 處 理 器 型 號 與 頻 率 的 不 同 ， 這 個 延 遲 時 間 可 能 會 高 達 數 百 個 奈 秒 （ ns ） ， 並 且 讓 最 大 速 率 限 制 在 1 ～ 2 MHz 之 間 。
本 文 將 提 供 一 個 方 法 ， 可 增 加 ADC 的 效 能 ， 讓 它 以 5 ～ 1 0 倍 的 速 率 將 資 料 送 給 DSP 元 件 。 目 前 ， 德 州 儀 器 公 司 （ TI ） 已 在 最 新 推 出 的 一 顆 ADC 中 採 用 了 這 個 解 決 方 案 ， 這 顆 元 件 的 編 號 是 THS1206 。

資 料 的 轉 換 和 傳 送
一 般 說 來 ， 取 樣 時 脈 信 號 每 經 過 一 個 週 期 ， 高 速 ADC 元 件 （ 快 閃 ／ 執 行 管 線 ） 就 會 提 供 一 次 取 樣 資 料 。 要 讓 DSP 在 這 麼 高 的 速 率 下 接 收 和 處 理 這 些 資 料 ， 通 常 是 一 件 很 困 難 的 挑 戰 ； 舉 例 來 說 ， 如 果 一 顆 資 料 轉 換 器 的 取 樣 速 率 為 6 MSPS ， 那 麼 每 隔 167 ns ， 它 就 會 在 輸 出 端 產 生 一 筆 新 的 轉 換 資 料 。
受 到 延 遲 時 間 的 影 響 ， 轉 換 器 的 最 大 資 料 產 出 率 （ data throughput ） 總 會 有 其 限 制 。 舉 例 來 說 ， 對 於 一 顆 頻 率 為 40 MHz 的 TI TMS320C542 DSP 而 言 ， 它 的 延 遲 時 間 大 約 是 400 ns 左 右 ； 換 句 話 說 ， 每 當 它 執 行 中 斷 服 務 常 式 ， 以 便 讀 取 一 筆 轉 換 資 料 的 時 候 ， 它 就 會 損 失 這 麼 長 的 延 遲 時 間 。

使 用 FIFO 來 提 供 更 高 的 資 料 產 出 率
如 果 DSP 執 行 中 斷 服 務 常 式 的 時 候 ， 能 夠 一 次 讀 取 一 整 塊 的 資 料 ， 而 非 只 是 一 筆 資 料 ， 那 麼 系 統 的 資 料 產 出 率 就 會 大 幅 增 加 ； 此 時 ， DSP 元 件 每 讀 取 一 整 塊 資 料 ， 才 會 損 失 一 次 的 延 遲 時 間 。
我 們 也 可 在 看 到 延 遲 時 間 的 定 義 ： 從 資 料 備 妥 信 號 DATA _ A V 的 下 降 邊 緣 開 始 ， 一 直 到 DSP 開 始 執 行 第 一 次 的 讀 取 動 作 為 止 ， 這 段 時 間 就 稱 為 延 遲 時 間 。
要 讓 DSP 一 次 讀 取 一 整 塊 的 資 料 ， 可 使 用 一 種 「 先 進 先 出 」 （ FIFO ） 的 緩 衝 區 架 構 ； 舉 例 來 說 ， TI 的 THS1206 是 一 顆 取 樣 速 率 為 6 MSPS 的 12 位 元 ADC 轉 換 器 ， 包 含 了 一 個 環 形 架 構 的 FIFO 緩 衝 區 ， 讓 DSP 與 ADC 之 間 享 有 最 大 的 資 料 傳 輸 效 率 。
THS1206 的 功 能  提 供 了 一 項 非 常 重 要 的 特 色 ， 就 是 它 的 類 比 端 包 含 了 四 組 的 類 比 輸 入 通 道 ， 可 同 時 從 取 樣 模 式 切 換 成 保 持 模 式 （ 同 時 取 樣 與 保 持 ） ， 在 現 代 的 控 制 應 用 、 雷 達 或 是 通 信 系 統 中 ， 這 都 是 一 項 非 常 重 要 的 功 能 。 這 個 FIFO 緩 衝 區 最 多 可 以 儲 存 16 筆 轉 換 資 料 ， 它 是 位 於 THS1206 的 類 比 ／ 數 位 轉 換 核 心 以 及 數 位 輸 出 端 之 間 。

THS1206 的 數 位 界 面
在 評 估 與 DSP 連 接 的 數 位 界 面 時 ， 必 須 確 保 一 件 事 ， 那 就 是 讓 THS1206 在 不 需 要 外 部 邏 輯 電 路 的 情 形 下 ， 仍 然 可 以 連 接 到 不 同 種 類 的 處 理 器 。 要 做 到 這 一 點 ， 一 個 很 重 要 的 條 件 就 是 提 供 可 程 式 規 劃 的 讀 取 和 寫 入 控 制 接 腳 。 今 天 的 處 理 器 若 不 是 提 供 了 一 個 「 讀 取 ／ 寫 入 」 （  ） 的 複 合 輸 出 接 腳 ， 就 是 提 供 了 獨 立 的 「 讀 取 」 （  ） 以 及 「 寫 入 」 （  ） 輸 出 接 腳 ， 而 THS1206 就 可 以 直 接 連 線 到 這 兩 種 處 理 器 ， 完 全 不 需 外 接 任 何 的 邏 輯 電 路 。 THS1206 就 包 含 了 一 個 「 讀 取 」 （  ） 輸 入 以 及 一 個 「 寫 入 」 （  ） 輸 入 ， 當 這 顆 元 件 剛 啟 動 時 ， 可 透 過 內 部 的 一 個 控 制 暫 存 器 ， 重 新 設 定 THS1206 的  輸 入 接 腳 ， 讓 它 變 成 「 讀 取 ／ 寫 入 」 的 複 合 輸 入 接 腳 。 另 一 個 例 子 是 讓 THS1206 搭 配 兩 顆 DSP 元 件 ， 分 別 是 TMS320C54x 以 及 TMS320C6201 ， 以 下 就 是 彼 此 間 的 可 能 搭 配 方 式 。

THS1206 與 TMS320C54x 的 界 面 連 接 方 式
此 處 我 們 將 THS1206 連 接 到 TMS320C54x ， 這 顆 DSP 元 件 會 透 過 一 個  複 合 輸 出 接 腳 來 控 制 資 料 的 讀 取 和 寫 入 。 為 了 支 援 這 種 連 接 方 式 ， 我 們 設 定 了 THS1206 轉 換 器 的  輸 入 端 ， 讓 它 變 成 「 讀 取 ／ 寫 入 」 的 複 合 接 腳 。 在 這 種 工 作 模 式 下 ， THS1206 的  輸 入 接 腳 會 變 成 無 作 用 。 另 一 方 面 ， THS1206 會 透 過  和 CS1 兩 根 接 腳 來 選 擇 位 址 ， TMS320C54x 則 是 透 過  來 選 擇 輸 入 ／ 輸 出 週 邊 裝 置 ， 透 過 A14 位 址 線 來 做 定 址 選 擇 。 此 外 ， 轉 換 後 的 資 料 也 是 由 TMS320C54x 來 讀 取 ， 而 這 個 讀 取 過 程 則 是 由 中 斷 信 號  來 控 制 。

THS1206 與 TMS320C6201 的 界 面 連 接 方 式
此 處 我 們 將 兩 顆 THS1206 轉 換 器 連 接 到 一 顆 TMS320C6201 ， 這 顆 DSP 會 透 過  輸 出 接 腳 來 控 制 資 料 的 讀 取 、 透 過  接 腳 來 控 制 寫 入 動 作 、 透 過  接 腳 來 選 擇 THS1206 轉 換 器 、 並 且 透 過 EA20 和 EA21 接 腳 來 替 這 兩 顆 資 料 轉 換 器 定 址 ， 因 此 這 組 電 路 並 不 需 外 接 任 何 的 位 址 解 碼 器 。 另 一 方 面 ， 當 轉 換 後 的 資 料 需 要 讀 取 時 ， THS1206 就 可 利 用 TMS320C6201 的 兩 根 中 斷 接 腳 （ 以 及  ） 來 通 知 這 顆 DSP 。

整 合 式 FIFO － 環 形 緩 衝 區
如 前 所 述 ， 新 推 出 的 THS1206 資 料 轉 換 器 就 內 建 了 一 個 FIFO 緩 衝 區 ， 而 且 它 採 用 了 一 種 相 當 有 彈 性 的 環 狀 架 構 ， 讓 ADC 與 DSP 之 間 能 擁 有 最 大 的 資 料 產 出 率 。 每 當 取 樣 信 號 進 入 下 降 邊 緣 的 時 候 ， THS1206 就 會 開 始 一 個 新 的 轉 換 動 作 ， 並 且 將 轉 換 後 的 資 料 存 入 FIFO 緩 衝 區 ， 這 個 環 形 緩 衝 區 最 多 可 以 儲 存 16 筆 轉 換 資 料 。 若 使 用 6 MHz 的 轉 換 速 率 ， 並 且 讓 這 個 可 程 式 規 劃 FIFO 的 儲 存 深 度 為 8 筆 資 料 ， 那 麼 THS1206 就 會 在 8 x 167 ns ＝ 1.34 m s 的 時 間 內 ， 將 8 筆 資 料 存 入 這 個 FIFO 緩 衝 區 ； 必 須 要 等 到 這 個 時 候 ， THS1206 才 會 透 過 DATA_AV 數 位 控 制 信 號 ， 通 知 DSP 來 讀 取 它 所 儲 存 的 整 塊 資 料 ， 使 處 理 器 就 能 享 有 更 大 的 彈 性 ， 並 且 將 運 算 資 源 用 於 其 它 的 工 作 。
由 於 這 個 FIFO 被 規 劃 成 一 個 相 當 有 彈 性 的 環 形 緩 衝 區 ， 因 此 就 算 是 尚 未 讀 取 的 資 料 ， 也 有 可 能 被 新 的 資 料 所 覆 蓋 ； 對 於 某 些 應 用 系 統 來 說 ， 如 果 資 料 的 取 樣 一 定 要 在 特 定 的 時 間 內 進 行 ， 那 麼 它 們 就 必 須 注 意 環 形 緩 衝 區 的 這 種 特 性 － 快 速 傅 利 葉 轉 換 （ FFT ） 就 是 一 個 例 子 ， 它 通 常 必 須 讀 取 一 整 塊 的 資 料 （ 1024 、 2048 、 4096 . . . ） 。
受 到 了 環 形 緩 衝 區 架 構 的 影 響 ， 被 讀 取 的 資 料 也 必 然 是 最 新 的 資 料 ； 另 一 方 面 ， 為 了 防 止 資 料 在 特 定 的 時 間 內 被 覆 寫 ， 處 理 器 會 以 足 夠 快 的 速 度 來 讀 取 資 料 ， 這 樣 舊 資 料 就 不 會 在 被 讀 取 之 前 ， 為 新 資 料 所 取 代 了 。
一 個 採 用 了 環 形 架 構 的 整 合 式 FIFO 緩 衝 區 ， 它 的 讀 寫 動 作 完 全 是 由 元 件 內 部 所 控 制 ， 而 且 整 個 讀 寫 動 作 還 可 採 用 非 同 步 的 方 式 ， 轉 換 後 的 數 值 也 會 自 動 寫 入 這 個 FIFO 緩 衝 區 中 。 為 了 要 控 制 讀 寫 的 動 作 ， 這 個 緩 衝 區 分 別 使 用 了 一 個 讀 取 指 標 和 一 個 寫 入 指 標 ； 前 者 會 指 向 FIFO 中 最 新 寫 入 資 料 的 位 置 ， 後 者 則 會 指 向 下 次 應 該 讀 取 的 位 置 。

這 個 FIFO 採 用 了 一 種 特 別 設 計 ， 可 以 讓 ADC 使 用 多 組 的 類 比 輸 入 通 道 ； 此 時 ， 元 件 會 根 據 事 先 定 義 的 方 式 （ 自 動 掃 瞄 模 式 ） ， 將 轉 換 後 的 資 料 寫 入 FIFO 中 。 因 此 元 件 會 保 存 通 道 的 資 訊 ， 讓 處 理 器 可 以 查 詢 使 用 ， 而 系 統 也 可 以 利 用 這 些 內 建 多 組 輸 入 的 資 料 轉 換 器 ， 以 便 提 供 更 高 的 資 料 產 出 率 。
我 們 也 可 選 擇 特 定 的 資 料 儲 存 深 度 （ 觸 發 數 目 ） ， 當 緩 衝 區 中 的 資 料 儲 存 量 達 到 這 個 數 目 時 ， THS1206 轉 換 器 就 會 透 過 DATA_AV （ 資 料 備 妥 ） 信 號 ， 告 知 所 連 接 的 處 理 器 說 ： 緩 衝 區 中 已 有 一 塊 資 料 可 以 讀 取 了 ， 而 這 塊 資 料 的 大 小 永 遠 等 於 所 設 定 的 儲 存 深 度 （ 觸 發 數 目 ） 。 此 外 ， FIFO 緩 衝 區 還 提 供 了 另 一 個 指 標 （ 觸 發 指 標 ） ， 它 會 根 據 儲 存 深 度 來 控 制 DATA_AV 信 號 。
我 們 讓 緩 衝 區 的 儲 存 深 度 為 8 ， 因 此 在 剛 開 始 的 時 候 ， FIFO 緩 衝 區 的 觸 發 指 標 會 指 向 位 置 8 ， 讀 取 指 標 會 指 向 位 置 1 ， 寫 入 指 標 也 是 指 向 位 置 1 ； 隨 著 每 一 個 新 轉 換 值 的 寫 入 ， 寫 入 指 標 所 指 的 位 置 也 會 逐 漸 增 加 。 在 這 個 例 子 中 ， 寫 入 指 標 已 經 指 向 了 位 置 7 ， 因 此 當 寫 入 指 標 的 位 置 再 加 一 的 時 候 ， 它 所 指 的 位 置 就 會 等 於 觸 發 指 標 的 位 置 ， 這 表 示 緩 衝 區 已 達 到 了 所 設 定 的 儲 存 深 度 （ 位 置 8 ） ， 於 是 控 制 信 號 DATA_AV 就 會 轉 成 作 用 中 的 狀 態 ， 並 且 告 訴 處 理 器 說 有 一 塊 資 料 （ 共 8 筆 資 料 ） 可 以 讀 取 了 。 由 於 緩 衝 區 的 儲 存 深 度 是 一 個 可 選 擇 的 參 數 ， 因 此 使 用 者 可 以 根 據 不 同 的 處 理 器 或 是 應 用 需 求 ， 將 這 個 緩 衝 區 設 定 成 不 同 的 儲 存 深 度 。

FIFO 的 效 率
前 面 曾 經 解 釋 過 ， 處 理 器 可 一 次 從 ADC 讀 取 一 整 塊 的 資 料 ， 這 樣 ADC 與 DSP 之 間 的 界 面 就 可 以 發 揮 最 大 的 效 率 。 要 分 析 ADC 與 處 理 器 之 間 的 最 大 資 料 產 出 率 ， 我 們 就 必 須 考 慮 幾 個 重 要   TF FIFO 的 深 度 的 因 素 ， 例 如 處 理 器 的 延 遲 時 間 ， 中 斷 服 務 常 式 的 長 度 、 以 及 FIFO 緩 衝 區 的 儲 存 深 度 。 綜 合 來 說 ， 在 分 析 最 大 的 資 料 產 出 率 時 ， 我 們 需 要 下 列 幾 個 參 數 ：
延 遲 時 間 是 由 DSP 的 軟 體 和 硬 體 所 定 義 ， 中 斷 服 務 常 式 的 時 間 則 是 由 兩 個 因 素 決 定 ， 一 個 是 前 述 的 延 遲 時 間 ， 另 一 個 則 是 從 FIFO 讀 取 一 塊 資 料 所 須 的 時 間 。 隨 著 中 斷 服 務 常 式 一 次 所 能 讀 取 的 資 料 量 增 加 ， 系 統 的 資 料 產 出 率 也 會 跟 著 增 加 ； 基 本 上 ， 這 個 規 律 在 一 定 的 範 圍 內 都 有 效 ， 而 這 個 範 圍 則 是 由 FIFO 的 深 度 來 決 定 。 當 儲 存 深 度 （ 觸 發 數 目 ） 達 到 FIFO 最 大 深 度 的 時 候 ， 舊 資 料 就 可 能 被 新 資 料 所 覆 蓋 ， 因 此 對 於 所 有 的 處 理 器 或 是 特 定 的 應 用 需 求 來 說 ， 它 們 一 定 能 替 所 有 參 數 找 到 一 個 最 理 想 的 值 。
最 大 的 資 料 產 出 率 可 以 推 導 如 下 ： 在 特 定 的 觸 發 數 目 （ TL ） 、 FIFO 深 度 （ TF ） 以 及 不 覆 蓋 舊 資 料 的 條 件 下 ， 我 們 可 以 決 定 最 大 的 資 料 產 出 率 ； 除 此 之 外 ， 能 在 特 定 的 觸 發 數 目 （ TL ） 和 延 遲 時 間 （ tLAT ） 條 件 下 ， 決 定 處 理 器 的 速 度 必 須 多 快 ， 才 能 讀 取 所 有 的 資 料 。

我 們 將 THS1206 連 接 到 另 一 顆 TMS320C542 ， 後 者 使 用 了 一 個 40 MHz 的 石 英 晶 體 ， 圖 中 不 但 顯 示 了 最 大 取 樣 速 率 與 特 定 儲 存 深 度 （ 觸 發 數 目 ） 的 相 對 值 ， 還 顯 示 了 最 大 速 度 的 限 制 ， 它 是 由 下 面 三 個 因 素 所 造 成 ： 中 斷 服 務 常 式 的 長 度 （ fINT ） 、 未 讀 取 資 料 被 覆 蓋 的 風 險 （ foverflow ） 以 及 ADC 元 件 的 最 大 取 樣 速 率 （ fTHS1206 ） 。 在 特 定 的 觸 發 數 目 下 ， 最 大 資 料 產 出 率 是 由 這 三 個 參 數 中 最 慢 的 一 個 來 決 定 ， 而 在 此 處 的 範 例 中 ， 針 對 深 度 為 16 個 字 元 的 FIFO ， 我 們 必 須 讓 觸 發 數 目 等 於 8 ， 才 能 讓 THS1206 達 到 最 大 的 速 度 ； 如 果 觸 發 數 目 小 於 8 ， 那 麼 受 到 了 延 遲 時 間 的 影 響 ， 處 理 器 就 無 法 達 到 最 大 的 資 料 產 出 率 。 另 一 方 面 ， 如 果 觸 發 數 目 大 於 8 ， 那 麼 舊 資 料 的 覆 蓋 就 變 成 是 關 鍵 了 。

* 根 據 觸 發 數 目 的 選 擇 而 得 到 的 最 大 資 料 產 出 率

第 二 個 例 子 ， 使 用 一 顆 內 建 FIFO 的 THS1206 ， 並 且 將 它 連 接 到 另 一 顆 使 用 100 MHz 石 英 晶 體 的 TMS320C6701 。 最 大 取 樣 速 率 與 特 定 儲 存 深 度 （ 觸 發 數 目 ） 的 相 對 值 ，  最 大 速 度 的 限 制 ， 由 下 面 三 個 因 素 所 造 成 ： 中 斷 服 務 常 式 的 長 度 （ fINT ） 、 尚 未 讀 取 資 料 被 覆 蓋 的 風 險 （ foverflow ） 以 及 ADC 元 件 的 最 大 取 樣 速 率 （ fTHS1206 ） 。 在 特 定 的 觸 發 數 目 下 ， 最 大 資 料 產 出 率 也 是 由 這 三 個 參 數 中 最 慢 的 一 個 來 決 定 ， 而 在 此 例 中 ， 針 對 深 度 為 16 個 字 元 的 FIFO ， 我 們 只 要 令 觸 發 數 目 大 於 1 ， 就 可 以 讓 THS1206 達 到 最 大 的 速 度 ； 在 這 個 例 子 中 ， 我 們 甚 至 可 以 讓 觸 發 數 目 等 於 14 ， 這 是 因 為 處 理 器 的 運 算 速 度 夠 快 ， 所 以 不 會 產 生 未 讀 取 資 料 被 覆 寫 的 現 象 。

* 根 據 觸 發 數 目 的 選 擇 而 得 到 的 最 大 資 料 產 出 率
從 這 發 現 ， 資 料 轉 換 器 與 DSP 之 間 的 資 料 傳 送 方 式 會 對 系 統 的 整 體 效 能 造 成 重 大 影 響 。 系 統 設 計 人 員 將 會 發 現 ， 如 果 資 料 轉 換 器 與 DSP 分 別 擁 有 某 些 互 補 的 特 性 ， 那 麼 系 統 就 可 以 提 供 最 大 的 資 料 傳 輸 速 率 ； 但 是 要 做 到 這 一 點 ， 設 計 人 員 就 必 須 對 DSP 和 資 料 轉 換 器 技 術 都 有 深 刻 的 瞭 解 。