DSP的30年

要點(diǎn)

1. DSP設計人員尋求優(yōu)化TI所稱(chēng)的“三P價(jià)值”，即：性能、價(jià)格與功耗。

2. ADI設計人員了解其DSP所面向應用的功率包絡(luò )。

3. Microchip對數字信號處理采用了一種替代方案：數字信號控制器。

4. 未來(lái)，可編程ASSP器件為T(mén)I的DaVinci這類(lèi)器件提供了一種替代品，將面向某些市場(chǎng)中的FPGA。

如德州儀器(TI )公司首席研究員GeneFrantz所言，該公司DSP先驅的頓悟始于上世紀70年代末，恰好在TI公司創(chuàng )造性的Speak Spell學(xué)習玩具放上零售貨架后不久。Frantz回憶那時(shí)有個(gè)顧客問(wèn)：“如果你們可以用DSP給玩具加上語(yǔ)音合成，還能用它做別的什么嗎?”

當今年TI公司慶祝在DSP市場(chǎng)的30周年時(shí)，這個(gè)長(cháng)久以來(lái)的問(wèn)題已經(jīng)過(guò)了無(wú)數次的解答。如果沒(méi)有DSP以及它在音頻、圖像和多媒體處理方面的推動(dòng)作用，就不會(huì )有“信息娛樂(lè )”內容，沒(méi)有智能手機或平板電腦，沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)，也沒(méi)有APP的生態(tài)系統。

TI的“玩具”技術(shù)不僅促使公司進(jìn)入了一個(gè)新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，而且為T(mén)I、其競爭對手以及工具供應商的開(kāi)發(fā)建立了舞臺，推動(dòng)DSP技術(shù)進(jìn)入了各種應用與市場(chǎng)。與此同時(shí)，傳統DSP器件遭遇了各種替代性信號處理平臺的競爭，包括有DSP特性的CPU、用微控制器與DSP核心配對使用的數字信號控制器、用于為數字信號處理設計定制的數據路徑，甚至創(chuàng )建定制可編程處理器的FPGA，以及最新出現的有大量并行處理的圖形處理器，它可以解決數據并行問(wèn)題。

DSP技術(shù)的起源要比Speak Spell玩具早幾年。在上世紀70年代初期，科學(xué)家們開(kāi)始采用市售的現成TTL分立邏輯芯片，實(shí)現專(zhuān)門(mén)的信號處理“引擎”。早期系統相對速度緩慢，占用空間大。TRW公司在1973年發(fā)布了第一款實(shí)用的并行乘法器，并在兩年后增加了位片(bit-slice)ALU。但僅乘法器芯片就要數百美元，唯一能買(mǎi)得起這種產(chǎn)品的客戶(hù)只有研究實(shí)驗室、醫療掃描設備制造商及軍隊。

1978年，American Micro- systems公司推出了第一款專(zhuān)門(mén)為DSP設計的單芯片IC：12位的S2811。AMI發(fā)明了一種真正創(chuàng )新性電路設計，但其芯片實(shí)現時(shí)采用了一種激進(jìn)的“V槽”(V groove)MOS技術(shù)，而這種技術(shù)從未用于量產(chǎn)的商業(yè)產(chǎn)品。

第二年，英特爾公司推出了Intel2920 16位“模擬信號處理器”，起這個(gè)名稱(chēng)是因為英特爾要設計一種用于直接替換模擬電路的芯片，包括了板上的A/D和D/A轉換器。2920以數字形式處理模擬信號，但它缺少一個(gè)并行乘法器;此外，它600ns的周期速度太慢，無(wú)法在音頻段做出有用的工作，而音頻段是第一個(gè)大批量DSP芯片的市場(chǎng)。

第一只“真正”單芯片的DSP出現在上世紀80年代初，由貝爾實(shí)驗室和NEC推出， 市場(chǎng)分析公司Forward Concepts將其定義為并行MAC(乘法器-加法器)電路。貝爾實(shí)驗室的芯片叫DSP-1，是一種用于A(yíng)TT與Western Electric設計中的容性器件。NEC的μPD7720是第一種真正量產(chǎn)、在商業(yè)市場(chǎng)上發(fā)售的單芯片DSP。盡管受制于粗糙的開(kāi)發(fā)工具，NEC的芯片仍然可提供充足的速度，它用一個(gè)雙周期MAC實(shí)現122ns的周期時(shí)間，能夠在音頻段做一些有用的工作。

80年代末，理光公司的HiromitsuYagi為傳統的NMOS工藝重新設計了原AMI的S2811芯片。Yagi的工作結果是理光RD28211和AMIS28211。

TI加入游戲

在80年代，TI公司的Ed Caudel設計了后來(lái)成為該公司第一款DSP的初始架構。同年，Surendar Magar受雇圍繞DSP算法來(lái)優(yōu)化架構。1982年2月，TI在傳統的“國際固態(tài)電路研討會(huì )”上以一篇《具有數字信號處理能力的一種微計算機》(參考文獻1)的論文將設計結果公諸于世。1982年4月，Caudel在巴黎召開(kāi)的“音頻、語(yǔ)音與信號處理國際研討會(huì )”上宣布了最終產(chǎn)品—TMS32010。

推出Speak Spell后，TI公司繼續為各種行業(yè)開(kāi)發(fā)DSP器件，但業(yè)務(wù)的關(guān)鍵以及對市場(chǎng)增長(cháng)起決定性作用的，還是圍繞處理器所出現的生態(tài)系統。業(yè)界最早的DSP工程師之一Frantz說(shuō)：“TI成為第一家擁有一款復雜的信號處理芯片的公司，也理解到器件本身并非產(chǎn)品，產(chǎn)品是器件加支持加開(kāi)發(fā)環(huán)境加一條器件熱線(xiàn)。我們?yōu)榭蛻?hù)創(chuàng )造了一個(gè)產(chǎn)品，使他們可以將其用在自己的產(chǎn)品中。”

在早期年代，TI的DSP熱線(xiàn)是為客戶(hù)提供幫助的一個(gè)重要來(lái)源，尤其是很多情況下，回答電話(huà)問(wèn)題的人正是被咨詢(xún)器件的架構師。Frantz說(shuō)：“TI有一些非常大的客戶(hù)，我們接到這些大客戶(hù)從不同地區打來(lái)的電話(huà)，有六到七個(gè)不同區號。我們發(fā)現自己比他們還清楚他們公司在做什么東西。我們盡自己所能幫助他們發(fā)展。”也有很多來(lái)自小型新興公司的電話(huà)，咨詢(xún)著(zhù)相同的問(wèn)題，而TI早在業(yè)內成員順應趨勢做出選擇以前， 就看到了正在形成的市場(chǎng)。Frantz指出，這以后幾年間，公司發(fā)明了下一代信號處理器，做出了客戶(hù)想要獲得的“瘋狂”東西。在此過(guò)程中，TI一直牢記“三P價(jià)值”，即：性能(performance)、價(jià)格(pr ice)以及功耗(power di s -sipation)。Frantz說(shuō)：“大多數人并不明白功耗是多么重要，但我們自60年代中期就一直致力于小功率器件技術(shù)，當時(shí)已經(jīng)發(fā)明了計算器。”初期，TI開(kāi)始了它的第三方計劃，鼓勵有DSP專(zhuān)業(yè)能力的小型公司去“填充”TI無(wú)法照顧到的“空白”。Frantz將計劃描述為一個(gè)“價(jià)值網(wǎng)”，所有參與者都可以通過(guò)它獲得收益，同時(shí)擴展了現有的客戶(hù)支持網(wǎng)絡(luò )。

Fernando Mujica是TI系統架構實(shí)驗室主任，是分析嵌入式處理方面的專(zhuān)家，他從Frantz這些DSP先鋒手中接過(guò)了接力棒。Mujica說(shuō)：“過(guò)去30年來(lái)，我們生活中的方方面面幾乎都受到了DSP的影響?，F在，我們正看到DSP開(kāi)始做嵌入分析工作，這是需要最高程度可編程性的一個(gè)不斷增長(cháng)和發(fā)展的領(lǐng)域?，F在，信號調整與壓縮技術(shù)都實(shí)現為硬編碼的加速器，并與DSP整合在現代的嵌入式處理器中。”

今天的DSP和其它嵌入式處理器承擔了以往需要人工干預的工作。相關(guān)例子是拓展了汽車(chē)安全功能的范圍，包括偏離車(chē)道警告和主動(dòng)巡航控制等，這些已出現在高檔汽車(chē)中。這些系統已超出了便利功能范疇，它們會(huì )向駕駛者提出警告，乃至在緊急情況下做剎車(chē)或轉向操作。

Mujica表示：“在不久的將來(lái)，嵌入分析解決方案將使自動(dòng)化駕駛成為一種現實(shí)(圖2)。機器人是另外一個(gè)即將出現革命性變化的領(lǐng)域，因為嵌入式處理器的性能在增長(cháng)，它們已能完成復雜的分析任務(wù)。”

小功率創(chuàng )新者

TI不是唯一一家在“三P價(jià)值”上推動(dòng)DSP技術(shù)發(fā)展的公司。ADI公司以2001年開(kāi)發(fā)的定點(diǎn)Blackfin處理器和90年代中期的浮點(diǎn)Sharc處理器，堅定不移地改進(jìn)著(zhù)功率/性能比。

隨著(zhù)對處理精度的需求越來(lái)越高，設計者不斷地面臨著(zhù)解決功率預算需求的難題。ADI公司處理器營(yíng)銷(xiāo)總監Colin Duggan以及Blackfin產(chǎn)品經(jīng)理Richard Murphy表示，ADI公司專(zhuān)注于現有功率的高效利用，從而獲得越來(lái)越緊湊的設計，可確保有更好的系統便攜性，占據最少空間，使得總體運行成本較低。他們指出，低功耗通常發(fā)熱低，有助于獲得更高的系統可靠性，減少了系統級與空間級的冷卻，從而節省了相關(guān)的功率、空間和成本。

對于電池供電設備，較低功率的處理器能延長(cháng)系統電池的壽命和充電間隔，有助于減小系統尺寸和重量，保證了便攜能力。處理器功耗的下降也讓設計者可以使用較小的電池，最大限度地節省了功耗與空間。

剛剛發(fā)布的BF60x高性能系列以及前代Blackfin中都采用了DPM(動(dòng)態(tài)電源管理)，開(kāi)發(fā)人員可以將處理器功耗與程序執行時(shí)的處理需求相匹配(圖3)。20 01年10月，ADI率先將DPM應用于首款發(fā)布的Blackfin處理器中。小功率處理器延長(cháng)了系統電池的壽命，有助于減小系統體積與重量。

Blackfin處理器中采用的其它設計技術(shù)包括：可編程電壓以及頻率縮放;時(shí)鐘周期分辨率的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘門(mén)控;多電源域，支持深度睡眠與冬眠模式;高代碼密度，盡量減少了激活總線(xiàn)的能量;采用混合閾值電壓晶體管，獲得了最佳性能與功率效率;一個(gè)最高能效的全定制處理器核心;審慎采用硬件加速器;以及支持亞穩態(tài)SDRAM，使板級功耗降至最低。

在浮點(diǎn)方面，ADI仍牢記低功耗技術(shù)，設計出了最新的Sharc 2147x。該處理器有5Mbit片上內存，設計者可以將功率存儲起來(lái)，以備擴展將數據移動(dòng)到外存和其它處理器。該系列的集成內存與并行處理特性能夠提高性能，確保算法和程序執行得更快，從而得到了凈功耗下降的好處。

兩兩比較(均在的典型功耗)有助于A(yíng)DI做出方案。在Sharc系列中，ADSP-21261在150MHz時(shí)功耗為900mW，200MHz時(shí)為1.2W;與之相比，最新的ADSP-2147x系列在150MHz時(shí)功耗180mW，在266MHz時(shí)功耗363mW。在Blackfin系列中，BF527在600MHz時(shí)的核心功耗為205mW，待機功耗為10mW，而冬眠模式耗電大約為40μA;最新的BF592在300MHz時(shí)提供88mW的動(dòng)態(tài)功耗，待機功耗不到1mW，冬眠耗電為20μA。該公司最高性能的Blackfin BF609有兩個(gè)500MHz核心，在1GHz時(shí)耗電400mW。

Duggan和Murphy指出，ADI的節電特性提供了靈活的控制，更新的工藝尺度有更高的功率效率。他們補充說(shuō)，該公司的設計者都了解其DSP所要滿(mǎn)足的應用的功率包絡(luò )。

ADI的目標是，盡可能在應用的一個(gè)特定功率包絡(luò )中獲得最高的性能。用戶(hù)可編程PLL，可調降自身系統時(shí)鐘的外設，以及當某些外設不工作時(shí)關(guān)閉任何時(shí)鐘域的能力等，都可以節能。其它節能方案包括：采用高效的總線(xiàn)架構，盡量增加設計中采用高閾值電壓晶體管的百分比(一般為93%)，以及使用PVP(流水線(xiàn)視覺(jué)處理器)做為加速器。

Microchip的DSC

Microchip Technology公司的數字信號處理采用了另一種方案：DSC(數字信號控制器)。第一款芯片是用一個(gè)DSP與一只8位微控制器配對。然后，Microchip的工程師在一個(gè)PIC微控制器中集成了一個(gè)DSP核心，這就是2002年面世的16位dsPIC(參考文獻5)。

可縮放的dsPIC解決方案提供了專(zhuān)利的微控制器式中斷處理，可用于實(shí)時(shí)控制，據Microchip稱(chēng)，用DSP做實(shí)時(shí)控制一直面臨著(zhù)挑戰(圖4)。DSC核心采用一種修改過(guò)的Harvard總線(xiàn)架構，有16位寬的數據路徑和24位寬的指令路徑;廣泛尋址模式;一個(gè)16×16位的通用寄存器集;一個(gè)靈活的軟件棧;單周期16×16乘法功能;帶雙端口SRAM的DMAC(直接內存訪(fǎng)問(wèn)控制);以及八個(gè)外設通道。

DSC的運行速度從30MIPS到70MIPS，用于數字電源、照明、電機控制、語(yǔ)音、生物計量、傳感器處理以及簡(jiǎn)單濾波器等市場(chǎng)。芯片包含了用于語(yǔ)音處理的DAC、電機控制PWM、快速ADC，以及專(zhuān)門(mén)用于SMPS(開(kāi)關(guān)電源)應用的ADC。Microchip公司稱(chēng)這些器件具有高運放集成度，提供了微控制器般的“觀(guān)感”，設計者無(wú)需學(xué)習DSP設計或軟件就可以使用。

Microchip鼓勵從dsPIC到PIC24微控制器的無(wú)縫遷移，兩者的代碼與引腳兼容。同樣免費的MPLABX集成開(kāi)發(fā)環(huán)境可用于Microchip的8位、16位與32位微控制器及其DSC。該公司稱(chēng)其戰略是為工程師們提供簡(jiǎn)單的解決方案，使應用開(kāi)發(fā)人員(如數字電源)能夠方便地使用模擬友好的高度集成dsPIC。

轉向FPGA

從傳統DSP轉向基于FPGA的DSP硬件，這個(gè)過(guò)程會(huì )涉及一組新的設計技巧，以及對硬件的新理解。對于剛開(kāi)始使用FPGA或DSP的開(kāi)發(fā)人員，這種轉換可能是一個(gè)相當大的任務(wù)，它增加了設計日程的風(fēng)險。高級經(jīng)理Tom Hill為Xilinx編寫(xiě)過(guò)一份白皮書(shū)《Xilinx DSP設計平臺：簡(jiǎn)化FPGA在DSP中的使用》(參考文獻6)，其中給出了Xilinx的DSP開(kāi)發(fā)套件設計思想，以簡(jiǎn)化FPGA的采用，算法與硬件開(kāi)發(fā)人員在用Xilinx器件開(kāi)發(fā)DSP應用時(shí)，能快速地進(jìn)入狀態(tài)。

Hill指出，在90年代時(shí)，Xilinx設計了用于DSP處理的4000 系列FPGA?？蛻?hù)很快發(fā)現，他們可以用FPGA建立數字濾波器。大約1999年，時(shí)任Xilinx現場(chǎng)應用工程師的Bruce Newgard認為公司有一個(gè)很大的機會(huì )，但管理層需要一些有說(shuō)服力的東西，才同意在Xilinx內部成立一個(gè)DSP部門(mén)。

2005年，Xilinx打造完成了一個(gè)DSP戰略，即與TI和MathWorks合作，為算法開(kāi)發(fā)與設計實(shí)現引入FPGA/DSP協(xié)處理平臺和緊密集成的工具流。同一年，Forward Concepts估計，基于FPGA DSP解決方案的性能與靈活性可以應付20億美元的高性能DSP市場(chǎng)。Xilinx初期的目標市場(chǎng)是高增長(cháng)的數字通信、MVI(多媒體、視頻與影像)，以及防務(wù)系統。這些領(lǐng)域加起來(lái)，要占到80%以上的高性能DSP市場(chǎng)份額。

Xilinx與MathWorks合作開(kāi)發(fā)了SystemGenerator，這是業(yè)界第一個(gè)針對Xilinx FPGA的DSP插件。今天，SystemGenerator for DSP是采用FPGA做高性能DSP系統設計的一款領(lǐng)先高級工具。

Xilinx 稱(chēng)， 使用System Generator，沒(méi)什么FPGA設計經(jīng)驗的開(kāi)發(fā)人員也可以快速地通過(guò)算法FPGA實(shí)現量產(chǎn)質(zhì)量的DSP，所花時(shí)間只有傳統RTL開(kāi)發(fā)的幾分之一。工具提供了系統建模以及從MathWorks Simulink的自動(dòng)代碼生成，并集成了RTL、嵌入、IP、Matlab，以及一個(gè)DSP系統的硬件。System Generator for DSP是XilinxDSP目標設計平臺(Targeted DesignPlatform)的一個(gè)關(guān)鍵部分。

Xilinx已轉換了自己的業(yè)務(wù)模型，從水平的FPGA供應商，變成為垂直的應用促進(jìn)商，在不同的細分市場(chǎng)都有自己的業(yè)務(wù)。下一階段是由工具、IP、硅片和套件組成的面向算法的平臺。

Xilinx基于FPGA的DSP平臺現在可與真實(shí)世界的信號相連接，并有與高速數據轉換器的接口。數據會(huì )以極高速率采樣，然后下變頻，以簡(jiǎn)化DSP硬件實(shí)現。Hill指出，FPGA通常用于處理接口和下變頻的系統，但40%的情況下會(huì )與DSP器件一起使用。

一些用戶(hù)對于使用基于FPGA的DSP存在著(zhù)一些疑問(wèn)，如技術(shù)的易用性以及設計流程的障礙等，因此在2011年1月，Xilinx買(mǎi)下了AutoESL。雙方結合，就是2012年1月的XilinxAutoESL，它使設計者能更容易地快速用FPGA實(shí)現DSP系統，并提供了向下一代AutoESL技術(shù)的一種更平滑轉換，這就是Vivado High-Level Synthesis 2012.2(參考文獻7)。隨著(zhù)Vivado設計套件的推出，VivadoHigh-Level Synthesis(高級綜合)能夠讓開(kāi)發(fā)人員將C、C++和System C直接應用于FPGA，而不需要手動(dòng)創(chuàng )建RTL，從而加快了設計實(shí)現。

Hill指出，今天，如果你能用一只DSP做設計，客戶(hù)就會(huì )使用一只DSP;如果設計要求采用兩片或三片DSP，則FPGA就極有競爭力。對于高負荷的濾波，FPGA具有優(yōu)勢。FPGA能完成無(wú)線(xiàn)、雷達與軍用聲納對抗中的上/下變頻和數字預校正。醫療影像是另外一個(gè)重要領(lǐng)域，如有些CT掃描與擁有256個(gè)以上傳感器的超聲設備。

3 月份，Xilinx 推出了Zynq -7000，宣稱(chēng)在一只器件上集成了“全部可編程的”SoC，它提供ASIC式的性能與功耗、FPGA的靈活性，以及微處理器的編程簡(jiǎn)便性(圖5)。Zynq-7000生態(tài)系統包括硬件與軟件開(kāi)發(fā)工具，以及操作系統。

Hill預測說(shuō)，未來(lái)FPGA將是可編程ASSP的基礎，后者在某些市場(chǎng)領(lǐng)域上將替代TI公司DaVinci數字多媒體處理器這類(lèi)器件。

不承認支持DSP算法與架構開(kāi)發(fā)的工具供應商，就無(wú)從談起DSP的歷史。