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新聞中心

淺談數字信號處理器

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作者:劉銀碧 盧 彬 王 亮 時(shí)間:2006-12-13 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

一、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。的任務(wù)在很大程度上需要由器件來(lái)完成。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。

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