淺談數字信號處理器

一、DSP的發(fā)展歷程

    信息化的基礎是數字化。數字化的核心技術(shù)之一是數字信號處理。數字信號處理的任務(wù)在很大程度上需要由DSP器件來(lái)完成。DSP技術(shù)已成為人們日益關(guān)注的并得到迅速發(fā)展的前沿技術(shù)。DSP可以代表數字信號處理器（Digital Signal Processor），也可以代表數字信號處理技術(shù)（Digital Signal Processing），后者是理論上的技術(shù)，要通過(guò)前者變成實(shí)際產(chǎn)品。兩者結合起來(lái)就成為解決某一實(shí)際問(wèn)題和實(shí)現某一方案的手段即數字信號處理解決方案（DSPS）。本文側重對DSP的第一種解釋—數字信號處理器進(jìn)行闡述。DSP是在模擬信號變換成數字信號以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專(zhuān)用處理器，其處理速度比最快的CPU還快10～50倍。在當今的數字化時(shí)代背景下，DSP己成為通信、計算機、消費類(lèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎器件。業(yè)內人士預言，DSP將是未來(lái)集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品，并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。

    在DSP出現之前數字信號處理只能依靠MPU（微處理器）來(lái)完成。但MPU較低的處理速度無(wú)法滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理論和算法基礎。而DSP僅僅停留在教科書(shū)上，即便是研制出來(lái)的DSP系統也是由分立組件組成的，其應用領(lǐng)域僅局限于軍事、航空航大部門(mén)。

    隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP芯片的問(wèn)世標志著(zhù)DSP應用系統由大型系統向小型化邁進(jìn)了一大步。隨著(zhù)CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度成倍提高，成為語(yǔ)音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎。80年代后期，第三代DSP芯片問(wèn)世，運算速度進(jìn)一步提高，其應用于范圍逐步擴大到通信、計算機領(lǐng)域。

    90年代DSP發(fā)展最快，相繼出現了第四代和第五代DSP器件?，F在的DSP屬于第五代產(chǎn)品，它與第四代相比，系統集成度更高，將DSP芯核及外圍組件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計算機領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透到人們日常消費領(lǐng)域，前景十分可觀(guān)。

二、DSP的特點(diǎn)及優(yōu)勢

1.硬件特點(diǎn)

    （1）DSP是屬于Modified Harvard架構，即它具有兩條內部總線(xiàn)：數據總線(xiàn)、程序總線(xiàn)。程序與數據存儲空間分開(kāi)，各有獨立的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，取指和讀數可以同時(shí)進(jìn)行，目前已達到90億次浮點(diǎn)運算/秒（9000MFLOPS）。

    （2）采用流水作業(yè)。每條指令的執行劃分為取指令、譯碼、取數、執行等若干步驟，由片內多個(gè)功能單元分別完成。相當于多條指令并行執行，從而大大提高了運算速度。

    （3）獨立的硬件乘法器。乘法指令在單周期內完成，優(yōu)化卷積、數字濾波、FFT、相關(guān)、矩陣運算等算法中的大量重復乘法。

    （4）循環(huán)尋址（Circular addressing），位倒序（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷積等運算中的尋址、排序及計算速度大大提高。1024點(diǎn)FFT的時(shí)間已小于1μs。

    （5）獨立的DMA總線(xiàn)和控制器。有一組或多組獨立的DMA總線(xiàn)，與CPU的程序、數據總線(xiàn)并行工作，在不影響CPU工作的條件下，DMA速度已達800Mbyte/s以上。

    （6）多處理器接口。使多個(gè)處理器可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度。

    （7）JTAG（Joint Test Action Group）標準測試接口（IEEE 1149標準接口）。便于對DSP作片上的在線(xiàn)仿真和多DSP條件下的調試。

2.軟件特點(diǎn)

    （1）立即數尋址：操作數為立即數，可直接從指令中獲取。例：MOV A，＠0x16；將常數0x16送給寄存器A。

    （2）直接尋址：比如，TI公司的TMS320系列芯片將數據存儲器分為512頁(yè)，每頁(yè)128字。設置一個(gè)數據頁(yè)指針DP（Data Pointer），用9-bit指向一個(gè)數據頁(yè)，再加上一個(gè)7-bit的頁(yè)內偏移地址，形成16-bit的數據地址。這樣有利于加快尋址速度。

    （3）間接尋址：①8個(gè)輔助寄存器，由一個(gè)輔助寄存器指針指定一個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元作16-bit無(wú)符號數運算，決定一個(gè)新的地址，裝入輔助寄存器中的一個(gè)。②8個(gè)輔助寄存器的內容相當靈活，可以裝入、加上、減去立即數；可以從數據存儲器裝人地址；還可以作一些變址尋址。③由于采用反向迸位，得以實(shí)現位倒序尋址。

    （4）獨特的乘法指令：例：MAC X0，Y0，A X：（R0）＋，X0  Y：（R4）＋N4，YO這條指令命令DSP56300：將寄存器X0和Y0中的數相乘，結果加到Acc A中，將寄存器R0所指的調存儲器地址中的值裝入寄存器X0，將寄存器R4所指的Y存儲器地址中的值裝入寄存器Y0 R0的值加1，寄存器N4的值加給R4。

    以數字信號處理為基礎的DSP系統與傳統的模擬信號處理系統相比較的優(yōu)點(diǎn)：

    （1）接口簡(jiǎn)單、方便。由于數字信號的電氣特性簡(jiǎn)單，不同的DSP系統相互連接時(shí)，在硬件接口上容易實(shí)現。在數據流接口上，各系統間只要遵循特定的標準協(xié)議即可。

    （2）精度高，穩定性好。數字信號處理僅受到兩化誤差和有限字長(cháng)的影響，處理過(guò)程不引入其它噪聲，因此具有較高的信噪比。另外，模擬系統的性能受到元器件參數性能影響比較大，而數字系統基本不變，因此數字系統更便于測試、調試及批量生產(chǎn)。

    （3）編程方便，容易實(shí)現復雜的算法。在DSP系統中，DSP芯片提供了一個(gè)高速計算平臺，系統功能依賴(lài)于軟件編程實(shí)現。當其與現代信號處理理論和計算數學(xué)相結合時(shí)，可以實(shí)現復雜的數字信號處理功能。

    （4）集成方便?，F代DSP芯片都是將DSP芯核及其外圍電路綜合集成在單一芯片上。這種結構便于設計便攜式高集成度的數字產(chǎn)品。

    另外，現代DSP芯片作為可編程超大集成電路（VLSI）器件，通過(guò)可下載的軟件和固件來(lái)實(shí)現數字信號處理功能。DSP芯片除具備普通微處理器的運算和控制功能外，還針對高數據傳輸速率、數值運算密集的實(shí)時(shí)數字信號處理，在處理器結構、指令系統和指令流程設計上做了很大的改進(jìn)。

三、DSP面臨的問(wèn)題以及挑戰

    日臻成熟的DSP仍然有許多需要改進(jìn)的地方，同時(shí)也面臨著(zhù)諸多挑戰。

    （1）如何合理地安排數據流程，使之在DSP的各執行單元間無(wú)沖突地順利執行，仍是DSP開(kāi)發(fā)人員面臨的重要的問(wèn)題。由于設計的復雜性，將算法映射到DSP具體目標硬件上時(shí)，尚不能采用高層次編程語(yǔ)言，必須使用匯編語(yǔ)言，并對器件的并行執行機制有十分清楚的了解。而這種局限于匯編語(yǔ)言的編程設計，正是提高軟件開(kāi)發(fā)效率的瓶頸。

    （2）平行結構方面還存在問(wèn)題。為了實(shí)現更高的吞吐量，就必須在特定單位時(shí)間內處理更多的數據位。VLIW技術(shù)代表了指令級的平行度。超標量結構和超管道結構也試圖在一個(gè)指令周期內得到更多的指令。數據級平行度由更寬的數據字、向量化和數據流結構來(lái)表示。由于數據字的寬度更大，因此每個(gè)指令周期指令可處理更多的數據，提高了每個(gè)時(shí)鐘周期可處理的數據位數。任務(wù)級或事務(wù)級平行度體現在多任務(wù)、多線(xiàn)程和多處理器設計中。這些結構有望提高數據處理吞吐量，但增加的數據和指令寬度以及隨之而來(lái)的數據處理吞吐量提高要付出一定的代價(jià)。當代碼密度和數據寬度與應用相匹配時(shí)，它們能起幫助作用，但當數據字寬度與處理器不相同時(shí)，它們反而會(huì )帶來(lái)很多麻煩。

    （3）大量可用的片上高速緩存正變得對系統的總吞吐量越來(lái)越重要，因為標準的內存總線(xiàn)和接口已無(wú)法為系統中每個(gè)MAC的千兆字節數據傳輸率提供支持。系統其余部份能否與高速處理器相配也正成為一個(gè)大問(wèn)題，帶有2個(gè)ALU單元的雙MAC處理器每一時(shí)鐘周期可能需要4個(gè)數據字，或每秒需要4千兆多個(gè)數據字。

    （4）DSP的發(fā)展面臨的挑戰也體現在CPU速度的急速增快和價(jià)格的持續下降，使DSP制造商面臨兩種選擇，一種是加快DSP的發(fā)展，另一種是退出競爭。各個(gè)制造商必須以多元化投資轉到單一化投資，確立以DSPS為主要發(fā)展的產(chǎn)品，即集所有技術(shù)、所有產(chǎn)品于DSP。

四、DSP的發(fā)展趨勢與前景

    DSP在其發(fā)展的道路上不斷滿(mǎn)足人們日益提高的要求，正在逐漸朝向個(gè)人化和低功耗化方向發(fā)展，DSP發(fā)展的前景是非?？捎^(guān)的。

    （1）系統級集成DSP是潮流

    縮小DSP芯片尺寸始終是DSP技術(shù)發(fā)展方向。當前的DSP多數基于RISC（精簡(jiǎn)指令集計算）結構，這種結構的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠(chǎng)商紛紛采用新工藝，改進(jìn)DSP芯核，并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專(zhuān)用處理單元、外圍電路單元、存儲單元集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統級集成電路。

    （2）可編程DSP是主導產(chǎn)品

    可編程DSP給生產(chǎn)廠(chǎng)商提供了很大的靈活性。生產(chǎn)廠(chǎng)商可在同一個(gè)DSP平臺上開(kāi)發(fā)出各種不同型號的系列產(chǎn)品，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。同時(shí)，可編程DSP也為廣大用戶(hù)提供了易于升級的良好途徑。

    （3）定點(diǎn)DSP是主流

    從理論上講，雖然浮點(diǎn)DSP的動(dòng)態(tài)范圍比定點(diǎn)DSP大，且更適合于DSP的應用場(chǎng)合，但定點(diǎn)運算的DSP器件的成本較低，對存儲器的要求也較低，而且耗電較省。因此，定點(diǎn)運算的可編程DSP器件仍是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。據統計，目前銷(xiāo)售的DSP器件中的絕大多數屬于16位定點(diǎn)可編程DSP器件，預計今后的比重將逐漸增大。

    （4）追求更高的運算速度

    目前一般的DSP運算速度為100MIPS，即每秒鐘可運算1億條指令。由于電子設備的個(gè)人化和客戶(hù)化趨勢，DSP必須追求更高更快的運算速度，才能跟上電子設備的更新步伐。DSP運算速度的提高，主要依靠新工藝改進(jìn)芯片結構。當前DSP器件大都采用0.5μm～0.35μmCMOS工藝，按照CMOS的發(fā)展趨勢，DSP的運算速度再提高100倍（達到1600GIPS）是完全有可能的。

五、結束語(yǔ)

    DSP在各個(gè)領(lǐng)域日益增長(cháng)的應用帶動(dòng)了DSP自身的發(fā)展，其在3C（Communications、Computers、Consumer）領(lǐng)域的運用已經(jīng)占用了目前DSP市場(chǎng)占有量的90％，說(shuō)明DSP在其它領(lǐng)域的潛力還是巨大的。在以后的發(fā)展中會(huì )以更加優(yōu)良的性能出現在各個(gè)領(lǐng)域中。