DSP芯片介紹

1 什么是DSP芯片

DSP芯片，也稱(chēng)數字信號處理器，是一種具有特殊結構的微處理器。DSP芯片的內部采用程序和數據分開(kāi)的哈佛結構，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線(xiàn)操作，提供特殊的DSP 指令，可以用來(lái)快速地實(shí)現各種數字信號處理算法。根據數字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn)：

（1） 在一個(gè)指令周期內可完成一次乘法和一次加法。

（2） 程序和數據空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)指令和數據。

（3） 片內具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨立的數據總線(xiàn)在兩塊中同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。

（4） 具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉的硬件支持。

（5） 快速的中斷處理和硬件I/O支持。

（6） 具有在單周期內操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。

（7） 可以并行執行多個(gè)操作。

（8） 支持流水線(xiàn)操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。

與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。

2 DSP芯片的發(fā)展

世界上第一個(gè)單片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美國Iintel公司發(fā)布的商用可編程期間2920是DSP芯片的一個(gè)主要里程碑。這兩種芯片內部都沒(méi)有現代DSP芯片所必須的單周期芯片。 1980年。日本NEC公司推出的μPD7720是第一個(gè)具有乘法器的商用DSP 芯片。第一個(gè)采用CMOS工藝生產(chǎn)浮點(diǎn)DSP芯片的是日本的Hitachi 公司，它于1982年推出了浮點(diǎn)DSP芯片。1983年，日本的Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期為120ns ，且具有雙內部總線(xiàn)，從而處理的吞吐量發(fā)生了一個(gè)大的飛躍。而第一個(gè)高性能的浮點(diǎn)DSP芯片應是ATT公司于1984年推出的DSP32。

在這么多的DSP芯片種類(lèi)中，最成功的是美國德克薩斯儀器公司（Texas Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)TI）的一系列產(chǎn)品。TI公司災982年成功推出啟迪一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS32C40/C44，第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多個(gè)DSP于一體的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。

自1980年以來(lái)，DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，DSP芯片的應用越來(lái)越廣泛。從運算速度來(lái)看，MAC（一次乘法和一次加法）時(shí)間已經(jīng)從80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），處理能力提高了10多倍。DSP芯片內部關(guān)鍵的乘法器部件從1980年的占模區的40左右下降到5以下，片內RAM增加一個(gè)數量級以上。從制造工藝來(lái)看，1980年采用4μ的N溝道MOS工藝，而現在則普遍采用亞微米CMOS工藝。DSP芯片的引腳數量從1980年的最多64個(gè)增加到現在的200個(gè)以上，引腳數量的增加，意味著(zhù)結構靈活性的增加。此外，DSP芯片的發(fā)展，是DSP系統的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。

3 DSP芯片的分類(lèi)

DSP的芯片可以按照以下的三種方式進(jìn)行分類(lèi)。

（1）. 按基礎特性分

這是根據DSP芯片的工作時(shí)鐘和指令類(lèi)型來(lái)分類(lèi)的。如果DSP芯片在某時(shí)鐘頻率范圍內的任何頻率上能正常工作，除計算速度有變化外，沒(méi)有性能的下降，這類(lèi)DSP芯片一般稱(chēng)之為靜態(tài)DSP芯片。

如果有兩種或兩種以上的DSP芯片,它們的指令集和相應的機器代碼機管腳結構相互兼容,則這類(lèi)DSP芯片稱(chēng)之為一致性的DSP芯片。

（2）. 按數據格式分

這是根據DSP芯片工作的數據格式來(lái)分類(lèi)的。數據以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱(chēng)之為定點(diǎn)DSP芯片。以浮點(diǎn)格式工作的稱(chēng)為DSP芯片。不同的浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標準浮點(diǎn)格式。

（3）. 按用途分

按照DSP芯片的用途來(lái)分，可分為通用型DSP芯片和專(zhuān)用型的DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應用，如TI公司的一系列DSP芯片。專(zhuān)用型DSP芯片市為特定的DSP運算而設計，更適合特殊的運算，如數字濾波，卷積和FFT等。

4 DSP芯片的選擇

設計DSP應用系統，選擇DSP芯片時(shí)非常重要的一個(gè)環(huán)節。只有選定了DSP芯片才能進(jìn)一步設計外圍電路集系統的其它電路?？偟膩?lái)說(shuō)，DSP芯片的選擇應根據實(shí)際的應用系統需要而確定。一般來(lái)說(shuō)，選擇DSP芯片時(shí)考慮如下諸多因素。

1>． DSP芯片的運算速度。運算速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標，也是選擇DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素。DSP芯片的運算速度可以用以下幾種性能指標來(lái)衡量：

（1） 指令周期。就是執行一條指令所需要的時(shí)間，通常以ns為單位。

（2） MAC時(shí)間。即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。

（3） FFT執行時(shí)間。即運行一個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需的時(shí)間。

（4） MIPS。即每秒執行百萬(wàn)條指令。

（5） MOPS。即每秒執行百萬(wàn)次操作。

（6） MFLOPS。即每秒執行百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作。

（7） BOPS。即每秒執行十億次操作。

2>． DSP芯片的價(jià)格。根據一個(gè)價(jià)格實(shí)際的應用情況，確定一個(gè)價(jià)格適中的DSP芯片。

3>． DSP芯片的硬件資源。

4>． DSP芯片的運算速度。

5>． DSP芯片的開(kāi)發(fā)工具。

6>． DSP 芯片的功耗。

7>． 其它的因素，如封裝的形式、質(zhì)量標準、生命周期等。

DSP應用系統的運算量是確定選用處理能力多大的DSP芯片的基礎。那么如何確定DSP系統的運算量以選擇DSP芯片呢？

1>． 按樣點(diǎn)處理

按樣點(diǎn)處理就是DSP算法對每一個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次。例如；一個(gè)采用LMS算法的256抽頭德的自適應FIR濾波器，假定每個(gè)抽頭的計算需要3個(gè)MAC周期，則256抽頭計算需要256*3=768個(gè)MAC周期。如果采樣頻率為8KHz，即樣點(diǎn)之間的間隔為125μs的時(shí)間，DSP芯片的MAC周期為200μs，則768個(gè)周期需要153.6μs的時(shí)間，顯然無(wú)法實(shí)時(shí)處理，需要選用速度更快的芯片。

2>． 按幀處理

有些數字信號處理算法不是每個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次，而是每隔一定的時(shí)間間隔（通常稱(chēng)為幀）循環(huán)一次。所以選擇DSP芯片應該比較一幀內DSP芯片的處理能力和DSP算法的運算量。假設DSP芯片的指令周期為P（ns），一幀的時(shí)間為⊿τ（ns），則該DSP芯片在一幀內所提供的最大運算量為⊿τ/ P 條指令。

5 DSP芯片的基本結構

DSP芯片的基本結構包括：

（1）哈佛結構；

（2）流水線(xiàn)操作；

（3）專(zhuān)用的硬件乘法器；

（4）特殊的DSP指令；

（5）快速的指令周期。

哈佛結構

哈佛結構的主要特點(diǎn)是將程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器是兩個(gè)相互獨立的存儲器，每個(gè)存儲器獨立編址，獨立訪(fǎng)問(wèn)。與兩個(gè)存儲器相對應的是系統中設置了程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，從而使數據的吞吐率提高了一倍。由于程序和存儲器在兩個(gè)分開(kāi)的空間中，因此取指和執行能完全重疊。

流水線(xiàn)與哈佛結構相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線(xiàn)以減少指令執行的時(shí)間，從而增強了處理器的處理能力。處理器可以并行處理二到四條指令，每條指令處于流水線(xiàn)的不同階段。入圖示出一個(gè)三級流水線(xiàn)操作的例子。

CLLOUT1

取指 N N-1 N-2

譯碼 N-1 N N-2

執行 N-2 N-1 N

圖4-1 三級流水線(xiàn)操作

專(zhuān)用的硬件乘法器

乘法速度越快，DSP處理器的性能越高。由于具有專(zhuān)用的應用乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內完成。

特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。

快速的指令周期哈佛結構、流水線(xiàn)操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設計可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

6 DSP系統的特點(diǎn)

數字信號處理系統是以數字信號處理為基礎，因此具有數字處理的全部特點(diǎn)：

（1） 接口方便。DSP系統與其它以現代數字技術(shù)為基礎的系統或設備都是相互兼容，這樣的系統接口以實(shí)現某種功能要比模擬系統與這些系統接口要容易的多。

（2） 編程方便。DSP系統種的可編程DSP芯片可使設計人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中靈活方便地對軟件進(jìn)行修改和升級。

（3） 穩定性好。DSP系統以數字處理為基礎，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高。

（4） 精度高。16位數字系統可以達到的精度。

（5） 可重復性好。模擬系統的性能受元器件參數性能變化比較大，而數字系統基本上不受影響，因此數字系統便于測試，調試和大規模生產(chǎn)。

（6） 集成方便。DSP系統中的數字部件有高度的規范性，便于大規模集成。

7 DSP芯片的應用

自從DSP芯片誕生以來(lái)，DSP芯片得到了飛速的發(fā)展。DSP芯片高速發(fā)展，一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場(chǎng)。在短短的十多年時(shí)間，DSP芯片已經(jīng)在信號處理、通信、雷達等許多領(lǐng)域得到廣泛的應用。目前，DSP芯片的價(jià)格也越來(lái)越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應用潛力。DSP芯片的應用主要有：

（1） 信號處理--如，數字濾波、自適應濾波、快速傅里葉變換、相關(guān)運算、頻譜分析、卷積等。

（2） 通信--如，調制解調器、自適應均衡、數據加密、數據壓縮、回坡抵消、多路復用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼、波形產(chǎn)生等。

（3） 語(yǔ)音--如語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識別、語(yǔ)音增強、說(shuō)話(huà)人辨認、說(shuō)話(huà)人確認、語(yǔ)音郵件、語(yǔ)音儲存等。

（4） 圖像/圖形--如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動(dòng)畫(huà)、機器人視覺(jué)等。

（5） 軍事--如保密通信、雷達處理、聲納處理、導航等。

（6） 儀器儀表--如頻譜分析、函數發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等。

（7） 自動(dòng)控制--如引擎控制、深空、自動(dòng)駕駛、機器人控制、磁盤(pán)控制。

（8） 醫療--如助聽(tīng)、超聲設備、診斷工具、病人監護等。

（9） 家用電器--如高保真音響、音樂(lè )合成、音調控制、玩具與游戲、數字電話(huà)/電視等