DSP芯片在圖像技術(shù)中的應用

自1982年美國TI公司推出第一個(gè)DSP芯片TMS32010以來(lái)，DSP芯片有了很大的發(fā)展。DSP芯片不僅在運算速度上有了很大的提高，而且在通用性和靈活性方面了極大地改進(jìn)。此外，DSP芯片的成本、體積、重量和功耗也都有了很大程度的下降。本文闡述了DSP芯片的發(fā)展、結構和特點(diǎn)，并介紹了一個(gè)基于DSP芯片的圖像系統。

　　1.DSP芯片發(fā)展

　　隨著(zhù)DSP芯片應用領(lǐng)域的不斷擴大，DSP芯片已形成低、中、高三個(gè)檔次：低端產(chǎn)品執行速度一般為20~50MIPS，能維持適量存儲和功耗，提供了較好的性能價(jià)格比，適用于儀器儀表和精密控制等;中端產(chǎn)品執行速度一般為100 ~150MIPS，結構較為復雜，具有較高的處理速度和低的功耗，適用于無(wú)線(xiàn)電信設備和高速解調器等;高端產(chǎn)品執行速度一般為1O00MIPS 以上，處理速度很高，產(chǎn)品結構多樣化，適用于圖像技術(shù)和智能通信****等。

　　對于種類(lèi)繁多的DSP芯片，一般可按其工作的數據格式將其分為兩大類(lèi)定點(diǎn)DSP芯片和浮點(diǎn)DSP芯片。定點(diǎn)DSP品種最多，處理速度為20 ~240OMIPS;浮點(diǎn)DSP處理速度為40M ~ 1GFLOPS。

圖1 DSP芯片

　　2.DSP芯片結構

　　DSP芯片是專(zhuān)為高速信號處理而設計的，由于采用了不同于普通單片機的體系結構，因而具有一些顯著(zhù)的特點(diǎn)。

　　2.1哈佛結構

　　傳統的馮諾伊曼( Von-Neumann)結構由于具有單一公用的數據和指令總線(xiàn)，因此在高速運算時(shí)，往往在傳輸通道上會(huì )出現瓶頸效應。DSP芯片內部一般采用哈佛(Harvard)結構，片內至少有四套總線(xiàn)：程序的數據總線(xiàn)與地址總線(xiàn)，數據的數據總線(xiàn)與地址總線(xiàn)。這種分離的程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，可允許在一個(gè)機器周期內同時(shí)獲取指令字(來(lái)自程序存儲器)和操作數(來(lái)自數據存儲器)，從而提高了執行速度。

　　2.2硬件乘法器

　　數字信號處理中最重要的一個(gè)基本運算是乘法累加運算，也是最主要和最耗時(shí)的運算，因此單周期的硬件乘法器是 DSP芯片實(shí)現快速運算的保證?，F代高性能的DSP芯片甚至具有兩個(gè)以上的硬件乘法器用以提高運算速度。數據寬度也從16位增加到32位。

　　2.3多個(gè)并行處理單元

　　DSP內部一般都集成了多個(gè)處理單元，如硬件乘法器(MUL)、累加器(ACC)、算術(shù)邏輯單元(ALU)、輔助算術(shù)單元(ARAU)以及 DMA控制器等。它們都可以并行地在同一個(gè)周期內執行不同的任務(wù)，例如輔助算術(shù)單元能為下一次的運算做好準備，適合于完成連續的乘加運算。芯片內部還包括有其他總線(xiàn)，如 DMA總線(xiàn)等，可實(shí)現數據的后臺傳輸而幾乎不影響主 CPU的性能的有FFT的位反轉尋址，語(yǔ)音的A律、p律算法等。

　　為了提高并行處理能力，現代DSP芯片通常采用單指令多數據流結構(SIMD)、超長(cháng)指令字結構(VLIW)、超標量體系結構、多DSP核體系結構和DSP/MCU混合結構，這些并行處理機制大大提高了DSP芯片的性能。

　　2.4流水線(xiàn)技術(shù)

　　DSP芯片的哈佛結構為流水線(xiàn)技術(shù)提供了方便。由于采用流水線(xiàn)技術(shù)，DSP芯片可以單周期完成乘沃累加運算，大大提高了運算速度。而DSP芯片的指令基本上都是單周期指令，因此單周期指令執行時(shí)間可以作為衡量DSP芯片性能的一個(gè)主要指標。

　　2.5片上存儲器

　　外部存儲器一般不能適應高性能DSP核的處理速度，因此在片上設置較大的程序/數據存儲器以減少對外部存儲器中程序/數據的訪(fǎng)問(wèn)次數，充分發(fā)揮DSP核的高性能。目前高性能DSP芯片上的可配置程度/數據RAM高達7MB。采用大的片子存儲器可以減少外部存儲器接口的引腳，甚至省略外部存儲器接口，而且也減小了芯片的封裝體積。

　　2.6多種外設和接口

　　為了加強 DSP芯片的通用性，DSP芯片上增加了許多外設?？赡馨ǖ耐庠O有：多路DMA通道、外部主機接口、外部存儲器接口、芯片間高速鏈接口、外部中斷、通信串口、定時(shí)器、可編程鎖相環(huán)、A/D轉換器、JTAG接口等。

　　2.7特殊尋址模式

　　為了滿(mǎn)足FFT積等數字信號處理的特殊要求，DSP芯片大多包含專(zhuān)門(mén)的硬件地址產(chǎn)生器，用以實(shí)現循環(huán)尋址和位翻轉尋址，并在軟件上設置了相應的指令。

　　2.8零消耗循環(huán)控制

　　數字信號處理的一大特點(diǎn)是大部分處理時(shí)間花在了較小循環(huán)的少量核心代碼上。大部分DSP芯片具有零消耗循環(huán)控制的專(zhuān)門(mén)硬件，可以省去循環(huán)計數器的測試指令，從而提高了代碼效率，減少了執行時(shí)間。

　　2.9JTAG接口

　　由于DSP芯片結構的復雜化、工作速度的提高、外部引腳的增多、封裝面積減小而導致的引腳排列密集等原因，傳統的并行仿真方式已不適合于DSP芯片的發(fā)展和應用開(kāi)發(fā)。1991年公布的JTAG接口標準滿(mǎn)足了IC制造商和用戶(hù)的要求，1993年 JTAG接口標準修訂為5線(xiàn)接口。在片JTAG接口為 DSP芯片的測試和仿真提供了很大的便利。

　　2.10程序的加載引導

　　加載引導是指器件在上電復位后執行一段引導程序，用于從端口(異步串口、I/O口、主機接口)或外部EPROM/FLASH存儲器中加載程序至高速RAM中運行。一般用 EPROM/FLASH存儲器存儲程序，但是其訪(fǎng)問(wèn)速度較慢，而一些已有的高速EPROM/FLASH存儲器價(jià)格昂貴且容量有限;同時(shí)高速大容量靜態(tài)RAM價(jià)格又在不斷下降，因此這種加載方式是一個(gè)有效的性?xún)r(jià)比解決方法。

　　3.在圖像技術(shù)中的應用

　　目前實(shí)現圖像處理的主要方式有四種：①基于通用PC微機;②基于通用DSP芯片;③基于專(zhuān)用DSP芯片;④基于可編程FPGA。在通用PC微機上主要是軟件實(shí)現圖像處理，能夠提供中等的圖像處理能力，但是要占用CPU幾乎全部的處理能力。在獨立機型設計中一般采用其他三種方式：①基于可編程FPGA的設計比較復雜而且難度較大;②基于專(zhuān)用DSP芯片的設計應用范圍受限;③基于通用DSP芯片設計的優(yōu)點(diǎn)是設計簡(jiǎn)便、靈活，特別適合于新型產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)。

　　3.1圖像技術(shù)對DSP芯片的要求

　　對于圖像技術(shù)來(lái)說(shuō)，由于要處理的數據量大，計算復雜，計算中間結果精度要求高，因此需要選擇合適的DSP芯片。在選擇DSP芯片時(shí)首先要考慮對芯片速度的要求。由于現代高性能DSP芯片的結構多樣化，單純依靠指令執行速度MIPS 比較其性能是不全面的，現在一般采用單周期的乘加次數，或采用數字信號處理中的基準程序如FFT和數字濾波等的執行時(shí)間來(lái)測評DSP芯片的速度性能。其次，還需要考慮如何選擇定點(diǎn)或浮點(diǎn)DSP芯片。

　　一般說(shuō)來(lái)，浮點(diǎn)DSP芯片的運算精度高，動(dòng)態(tài)范圍大，尋址空間大，指令運算能力較強，但功耗、成本、體積較大。而定點(diǎn)DSP芯片的運算精度與浮點(diǎn)DSP芯片相同(定點(diǎn)的數據位數和浮點(diǎn)的位數相同的情況下),且功耗、成本、體積較小，但動(dòng)態(tài)范圍小，需要防止計算溢出，尋址空間小，指令運算能力較弱。從總體性能上看，浮點(diǎn)DSP芯片優(yōu)于定點(diǎn)DSP芯片。此外，在硬件方面還應考慮芯片的外部總線(xiàn)結構、片上存儲器結構、DMA功能、串行通信口和芯片間通信能力等因素;在軟件方面主要是開(kāi)發(fā)軟件的功能性、開(kāi)發(fā)時(shí)間要求等因素。

　　綜合考慮DSP芯片的性能和開(kāi)發(fā)設計的要求后，在圖像技術(shù)中應該首選浮點(diǎn)DSP芯片，但是在對價(jià)格敏感的產(chǎn)品設計中，目前采用定點(diǎn)DSP芯片的例子也有。

　　表1比較了代表目前很高DSP芯片技術(shù)水平的三種產(chǎn)品，包括TI公司的定點(diǎn) DSP芯片(TMS320C6203)和浮點(diǎn)DSP芯片(TMS320C6701)與AD公司浮點(diǎn)DSP芯片(ADSP-21160)。由于工作時(shí)鐘較高的原因，TI公司的DSP芯片在單芯片處理能力上優(yōu)于A(yíng)D公司的產(chǎn)品，但是在多芯片集成處理上AD公司的DSP芯片性能更好一些。

　　3.2基于DSP芯片的圖像處理系統

　　圖2所示為一個(gè)獨立型通用圖像處理系統。系統板主要構成為：工作于167MHz的TMS320C6701 ; 32位4M的SDRAM ，32位128K 的SBSRAM，32位4K的雙口RAM，16位1M的Flash存儲器;兩路A/D，每路40M/12Bit，可同時(shí)采樣，采樣頻率可變;可編程FPGA作為靈活的接口;通用數字接口也可以直接接收彩色數字圖像;外部HPI主機接口可用于系統控制;仿真調試JTAG接口;串行通信接口;電源監測與復位控制電路等。

　　在該系統開(kāi)發(fā)板上處理應用于會(huì )議電視的CIF格式的彩色圖像，實(shí)驗效果較好。TI公司提供了全圖形的Code Composer集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,具有匯編語(yǔ)言和直接的C編譯器。匯編語(yǔ)言的程序代碼執行效率高，而采用C語(yǔ)言的程序代碼效率較差。但是，直接采用匯編語(yǔ)言編程有一定難度。因此，通常先采用c語(yǔ)言設計驗證算法，然后經(jīng)過(guò)C編譯器產(chǎn)生匯編代碼。最后在匯編代碼的基礎上進(jìn)行優(yōu)化。

圖二: 獨立型通用圖像處理系統框圖

        4.DSP芯片相關(guān)問(wèn)題

　　4.1DSP芯片有什么作用?

　　DSP是專(zhuān)用于數字處理數字信號(如音頻)的處理器。它們旨在以最低的能耗高速執行加法和減法等數學(xué)函數。DSP芯片以各種尺寸、價(jià)格和性能點(diǎn)出現。

　　4.2DSP代表什么?

　　數字信號處理，數字信號處理(DSP)是指用于提高數字通信的準確性和可靠性的各種技術(shù)。DSP背后的理論相當復雜，DSP通過(guò)澄清或標準化數字信號的電平或狀態(tài)來(lái)工作。

　　4.3為什么需要DSP?

　　數字信號處理很重要，因為它顯著(zhù)提高了聽(tīng)力保護的整體價(jià)值。與被動(dòng)保護不同，DSP抑制噪聲而不阻塞語(yǔ)音信號?，F實(shí)世界的信號被轉換成一個(gè)領(lǐng)域，然后應用抽象的科學(xué)和數學(xué)模型。

　　4.4DSP和DAC一樣嗎?

　　DSP對數字信號進(jìn)行某種處理，因為它是數字信號處理器。如果它是純粹的DSP，它不應該將任何東西轉換為模擬，盡管像MiniDSPHD這樣的設備兩者都做。DAC將數字信號轉換為模擬信號，因為它是數模轉換器。

　　4.5DSP比分頻器好嗎?

　　一個(gè)DSP做同樣的事情甚至更多，它通常會(huì )添加許多功能，如時(shí)間對齊和EQ以進(jìn)一步自定義聲音，加上交叉頻率和斜率是可變的，所以你可以調整它們以適應你的環(huán)境。

　　結束語(yǔ)

　　以上就是DSP芯片在圖像技術(shù)中的應用介紹了。DSP芯片將應用在更多的領(lǐng)域，如智能通信****、雷達、聲納、圖形圖像系統、語(yǔ)音識別、VOIP、飛行仿真、軍用設備等等。

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