Ускоритель вычислений (uDSC)
16-битный режим хранения (LD/ST)
32-битный аккумулятор (DX)
Однотактный 16-битный умножитель (MUL)
32-битное арифметико-логическое устройство (ALU)
16-битная насыщенная арифметика (SD)
8-тактный 32/16-битный делитель
Однотактные операции умножения-сложения/умножения-вычитания (MAC/MSC)
Обзор
Цифровой ускоритель вычислений (uDSC) является вычислительным сопроцессорным модулем ядра LGT8XP, который работает в сочетании с 16-битным режимом LD/ST ядра LGT8XP, реализуя 16-битный блок цифровой обработки сигналов. Это позволяет удовлетворять требованиям большинства задач обработки цифровых сигналов в управляющих системах.
Функции uDSC и его внутренняя структура:
16-битные регистры операндов DX/DY
32-битный аккумуляторный регистр DA
Однотактный 17-битный умножитель (способен выполнять 16-битные умножения как для знаковых, так и для беззнаковых чисел)
32-битное ALU (способно выполнять 16/32-битные операции сложения, вычитания и сдвига)
16-битная насыщенная арифметика (используется для сохранения результатов вычислений в RAM)
32/16-битный делитель, завершающий операции за 8 тактов.
16-битный режим работы LD/ST
Для повышения эффективности обработки больших объемов данных в uDSC, ядро LGT8FXP реализует специальный 16-битный канал LD/ST, который позволяет использовать инструкции LDD/STD для эффективного обмена 16-битными данными между uDSC, SRAM и регистрами общего назначения.
Чтобы не нарушать работу стандартной системы инструкций LD/ST, ядро LGT8FXP переназначает пространство SRAM на адреса 0x2100–0x28FF. Когда инструкции LD/ST используются для доступа к SRAM в этом диапазоне адресов, ядро автоматически активирует 16-битный режим LD/ST, открывая прямой канал доступа между SRAM и uDSC.
На следующем рисунке показано распределение адресного пространства данных в ядре LGT8FXP:
Как показано на рисунке выше, ядро LGT8FXP может использовать инструкции LD/ST для прямого 16-битного доступа к данным между регистрами DX/DY/DA uDSC и SRAM. Внутренние регистры uDSC также отображаются в пространство I/O, и доступ к ним может осуществляться в двух режимах: 8-битном и 16-битном.
Помимо регистров DX/DY/DA, используемых для вычислений, uDSC также включает два дополнительных 8-битных регистра:
Регистр управления и состояния (CSR)
Регистр команд (IR)
Доступ к CSR и IR возможен только через пространство I/O побайтово, тогда как доступ к DX/DY/AL/AH осуществляется в 16-битном режиме. Для доступа к этим регистрам можно использовать инструкции IN/OUT, LD/ST, LDD/STD, LDS/STD и другие.
Все управляющие, статусные и регистры данных uDSC отображаются в пространство I/O, что позволяет выполнять 8/16-битный доступ за один такт с помощью инструкций IN/OUT.
CSR используется для управления режимами работы uDSC и хранения флагов состояния текущих операций. IR управляет конкретными операциями, выполняемыми uDSC. Большинство операций
uDSC выполняются за один такт, за исключением деления, которое требует 7 тактов ожидания. Завершение операции деления можно проверить с помощью флагов в регистре CSR.
Стандартные инструкции LD/ST используют внутренние регистры общего назначения LGT8FXP в качестве данных для LD/ST, а регистры X/Y/Z — в качестве целевых адресов. Когда целевой адрес попадает в 16-битное отображение SRAM, значение операндов инструкций LD/ST изменяется: X/Y/Z по-прежнему используются как целевые адреса, а значение регистров общего назначения интерпретируется в зависимости от режима отображения uDSC. Режим отображения uDSC применяется только для доступа к адресам 0x2100–0x28FF и устанавливается с помощью 6-го бита (MM) регистра CSR.
В 16-битном режиме LD/ST инструкция “LDD Rn, Z+q” означает загрузку 16-битных данных по адресу [Z] в регистр данных uDSC, после чего значение Z увеличивается на смещение “q”. Значение Rn в этой инструкции зависит от режима отображения CSR[MM], как показано ниже:
Инструкция: LDD Rn, Z+q
CSR[MM] |
[Z+q] |
Опкод |
Операции |
|---|---|---|---|
0 |
0x2100-0x28FF |
LDD R0, Z+q |
DX = [Z]; Z = Z + q; R0 остается неизменным |
1 |
0x2100-0x28FF |
LDD Rn, Z+q |
{Rn} адрес для DX/DY/AL/AH в области I/O |
Инструкция: STD Rn, Z/V+q
CSR[MM] |
[Z+q] |
Опкод |
Операции |
|---|---|---|---|
0 |
0x2100-0x28FF |
STD Z+q R0 |
[Z] = DX; Z = Z + q; R0 остается неизменным |
1 |
0x2100-0x28FF |
STD Z+q, Rn |
{Rn} адрес для DX/DY/AL/AH/SD в области I/O |
Инструкции LD/ST и LDS/STS в наборе инструкций LGT8FXP также могут обращаться к области 0x2100–0x28FF, но адресация Y/Z+q в инструкциях LDD/STD более эффективна. Адресация LDD/STD основана на базовом адресе, где Y/Z может быть установлен как базовый адрес данных в RAM. Используя адресацию Y/Z+q в инструкциях LDD/STD, можно выполнить инструкцию и получить доступ к данным за один такт, автоматически перемещая указатель адреса на следующий целевой адрес.
В стандартном режиме адресации Y/Z+q в инструкциях LDD/STD ядра LGT8FXP, при выполнении инструкции используется адрес [Y/Z+q] для 8-битных данных, и значение Y/Z не увеличивается после выполнения. Однако при использовании LDD/STD для адресации в диапазоне 0x2100–0x28FF, поведение инструкции изменяется: используется адрес [Y/Z] для 16-битных данных, и после выполнения значение Y/Z увеличивается на смещение “q”. Это повышает эффективность последовательной адресации, особенно при q=2, что позволяет адресовать последовательные 16-битные данные.
Отображение адресов переменных на 16-битный режим адресации
LGT8FXP является 8-битным процессором, и доступ к данным осуществляется побайтово. Микроконтроллер LGT8F328P имеет встроенное 2 КБ пространство данных, которое отображается на адреса 0x0100–0x08FF. Компиляторы C/C++ автоматически распределяют переменные в этом диапазоне адресов. Если в C/C++ определен 16-битный массив, который необходимо обработать с помощью uDSC, сначала нужно отобразить адрес этой переменной в область 16-битного доступа LD/ST (0x2100–0x28FF). Это делается простым добавлением смещения 0x2000 к адресу переменной.
Определение инструкций для операций uDSC
Программное обеспечение задает операции, которые должны быть выполнены, через регистр IR uDSC. Все операции uDSC выполняются между регистрами DX/DY/DA. Пользователь может использовать 16-битный канал LD/ST для быстрого обмена данными между DX/DY/DA и SRAM.
IR7 |
IR6 |
IR5 |
IR4 |
IR3 |
IR2 |
IR1 |
IR0 |
Функция |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
ADD/SUB |
||||||||
0 |
0 |
S1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
DA = DX + DY |
0 |
0 |
S1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
DA = DX – DY |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
DA = DY |
0 |
0 |
S1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
DA = -DY |
0 |
0 |
S1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
DA = DA + DY |
0 |
0 |
S1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
DA = DA – DY |
MAC/MSC |
||||||||
0 |
1 |
S12 |
S02 |
0 |
1 |
0 |
0 |
DA = DX * DY |
0 |
1 |
S12 |
S02 |
0 |
0 |
0 |
0 |
DA = -DX * DY |
0 |
1 |
S12 |
S02 |
1 |
1 |
0 |
0 |
DA = (DX * DY) >> 1 |
0 |
1 |
S12 |
S02 |
1 |
0 |
0 |
0 |
DA = (-DX * DY) >> 1 |
0 |
1 |
S12 |
S02 |
0 |
1 |
1 |
S |
DA = DA + DX * DY |
0 |
1 |
S12 |
S02 |
1 |
1 |
1 |
S |
DA = (DA + DX * DY) >> 1 |
0 |
1 |
S12 |
S02 |
0 |
0 |
1 |
S |
DA = DA – DX * DY |
0 |
1 |
S12 |
S02 |
1 |
0 |
1 |
S |
DA = (DA – DX * DY) >> 1 |
MISC |
||||||||
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
DA = 0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
S |
DA = NEG(DA) |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
S |
DA = DX^2 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
S |
DA = DY^2 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
S |
DA = ABS(DA) |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
DA = DA/DY |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
DA = DA/DY, DY = DA%DY |
SHIFT |
||||||||
1 |
1 |
0 |
0 |
N3 |
N2 |
N1 |
N0 |
DA = DA << N |
1 |
1 |
S |
1 |
N3 |
N2 |
N1 |
N0 |
DA = DA >> N |
Примечание:
S указывает, является ли операция знаковой или беззнаковой.
S1 указывает, является ли DX числом со знаком, а S2 указывает, является ли DY числом со знаком.
N[3:0] — количество четырехбитных сдвигов, которое может достигать максимум 15-битных операций сдвига.
Регистры uDSC
Имя |
Адрес |
Описание |
|---|---|---|
DCSR |
0x20 (0x00) |
Регистр состояния управления uDSC |
DSIR |
0x21 (0x01) |
Регистр инструкции |
DSSD |
0x22 (0x02) |
16-разрядное переполнение 32-разрядного аккумулятора DSA |
DSDX |
0x10 (0x30) |
Операнд DSDX, 16-битный доступ для чтения и записи |
DSDY |
0x11 (0x31) |
Операнд DSDY, 16-битный доступ для чтения и записи |
DSAL |
0x38 (0x58) |
32-битный аккумулятор DSA[15:0], 16-битный доступ для чтения и записи |
DSAH |
0x39 (0x59) |
32-битный аккумулятор DSA[31:16], 16-битный доступ для чтения и записи |
Регистр управления DSCR
Имя |
Адрес |
Значение по умолчанию |
|---|---|---|
DCSR |
0x20(0x00) |
0010xxxx |
Бит |
Доступ |
Имя |
Описание |
|---|---|---|---|
7 |
R/W |
DSUEN |
uDSC модуль включить управление; 1 = включить, 0 = отключить |
6 |
R/W |
ММ |
Режим отображения регистров uDSC, подробное описание см. |
5 |
R/W |
D1 |
Флаг завершения операции деления, 1 = завершена |
4 |
R/W |
D0 |
Операция деления, флаг деления на 0 |
3 |
- |
- |
Не реализовано |
2 |
R/W |
N |
Результат операции отрицательное число |
1 |
R/W |
Z |
Результат операции — ноль |
0 |
R/W |
C |
Флаг переноса/заимствования сумматора |
Регистр инструкции DSIR
Имя |
Адрес |
Значение по умолчанию |
|---|---|---|
DSIR |
0x21 (0x01) |
0x00 |
Бит |
Доступ |
Имя |
Описание |
|---|---|---|---|
7:0 |
R/W |
IR |
инструкция, обратитесь к описанию раздела. |
Регистр операнда DSDX
Имя |
Адрес |
Значение по умолчанию |
|---|---|---|
DSDX |
0x30 (0x10) |
0x00 |
Бит |
Доступ |
Имя |
Описание |
|---|---|---|---|
15:0 |
R/W |
DSDX |
16-битный операнд |
Регистр операнда DSDY
Имя |
Адрес |
Значение по умолчанию |
|---|---|---|
DSDY |
0x31 (0x11) |
0x00 |
Бит |
Доступ |
Имя |
Описание |
|---|---|---|---|
15:0 |
R/W |
DSDY |
16-битный операнд |
Регистр результата операции DSAL
Имя |
Адрес |
Значение по умолчанию |
|---|---|---|
DSAL |
0x58 (0x38) |
0x00 |
Бит |
Доступ |
Имя |
Описание |
|---|---|---|---|
15:0 |
R/W |
DSAL |
младшие 16 бит 32-битного аккумулятора DA |
Регистр результата операции DSAH
Имя |
Адрес |
Значение по умолчанию |
|---|---|---|
DSAH |
0x59 (0x39) |
0x00 |
Бит |
Доступ |
Имя |
Описание |
|---|---|---|---|
15:0 |
R/W |
DSAH |
старшие 16 бит 32-битного аккумулятора DA |
Регистр переполнения DSSD
Имя |
Адрес |
Значение по умолчанию |
|---|---|---|
DSSD |
0x22 (0x02) |
0x00 |
Бит |
Доступ |
Имя |
Описание |
|---|---|---|---|
15:0 |
R/W |
DSSD |
16-разрядное переполнение 32-разрядного аккумулятора DSA |
Примеры применения uDSC
Пример конфигурации и использования, простая подпрограмма (AVRGCC), которая реализует 16-битную операцию умножения и возвращает 32-битный результат:
unsigned long dsu_xmuluu(unsigned short dy, unsigned short dx);
Ниже приведен код реализации ассемблерной функции C:
#include “udsc_def.inc” ; opcode definitions
.global dsu_xmuluu ; declare for called from C/C++ code
dsu_xmuluu:
out DSDX, r24 ; load DX
out DSDY, r22 ; load DY
ldi r20, XMULUU ; load opcode
out DSIR, r20 ; do multiply
in r22, DSAL ; {r23, r22} = AL
in r24, DSAH ; {r25, r24} = AH
ret