關于DSP芯片

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    DSP-起始篇

    數(shù)字信号處理(lǐ)（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門(mén)涉及許多(duō)學科而又廣泛應用于許多(duō)領域的新興學科。20世紀60年代以來(lái)，随着計(jì)算(suàn)機和(hé)信息技(jì)術(shù)的飛速發展，數(shù)字信号處理(lǐ)技(jì)術(shù)應運而生(shēng)并得(de)到迅速的發展。在過去的二十多(duō)年時(shí)間(jiān)裏，數(shù)字信号處理(lǐ)已經在通(tōng)信等領域得(de)到極為(wèi)廣泛的應用。

    數(shù)字信号處理(lǐ)是利用計(jì)算(suàn)機或專用處理(lǐ)設備，以數(shù)字形式對信号進行(xíng)采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識别等處理(lǐ)，以得(de)到符合人(rén)們需要的信号形式。

    數(shù)字信号處理(lǐ)是圍繞着數(shù)字信号處理(lǐ)的理(lǐ)論、實現和(hé)應用等幾個(gè)方面發展起來(lái)的。數(shù)字信号處理(lǐ)在理(lǐ)論上(shàng)的發展推動了數(shù)字信号處理(lǐ)應用的發展。反過來(lái)，數(shù)字信号處理(lǐ)的應用又促進了數(shù)字信号處理(lǐ)理(lǐ)論的提高(gāo)。而數(shù)字信号處理(lǐ)的實現則是理(lǐ)論和(hé)應用之間(jiān)的橋梁。

    數(shù)字信号處理(lǐ)是以衆多(duō)學科為(wèi)理(lǐ)論基礎的，它所涉及的範圍極其廣泛。例如，在數(shù)學領域，微積分、概率統計(jì)、随機過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信号處理(lǐ)的基本工具，與網絡理(lǐ)論、信号與系統、控制(zhì)論、通(tōng)信理(lǐ)論、故障診斷等也密切相關。近來(lái)新興的一些(xiē)學科，如人(rén)工智能、模式識别、神經網絡等，都與數(shù)字信号處理(lǐ)密不可(kě)分。可(kě)以說，數(shù)字信号處理(lǐ)是把許多(duō)經典的理(lǐ)論體(tǐ)系作(zuò)為(wèi)自己的理(lǐ)論基礎，同時(shí)又使自己成為(wèi)一系列新興學科的理(lǐ)論基礎。

    世界上(shàng)第一個(gè)單片 DSP 芯片應當是1978年 AMI公司發布的 S2811，1979年美國Intel公司發布的商用可(kě)編程器(qì)件2920是DSP芯片的一個(gè)主要裏程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒有(yǒu)現代DSP芯片所必須有(yǒu)的單周期乘法器(qì)。1980 年，日本 NEC 公司推出的μP D7720是第一個(gè)具有(yǒu)乘法器(qì)的商用 DSP 芯片。

    在這之後，最成功的DSP 芯片當數(shù)美國德州儀器(qì)公司（Texas Instruments，簡稱TI）的一系列産品。TI 公司在1982年成功推出其第一代 DSP 芯片 TMS32010及其系列産品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之後相繼推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代 DSP 芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改進型TMS320C2XX，集多(duō)片DSP芯片于一體(tǐ)的高(gāo)性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI将常用的DSP芯片歸納為(wèi)三大(dà)系列，即：TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。  

    如今，TI公司的一系列DSP産品已經成為(wèi)當今世界上(shàng)最有(yǒu)影(yǐng)響的DSP芯片。TI公司也成為(wèi)世界上(shàng)最大(dà)的 DSP 芯片供應商，其DSP市場(chǎng)份額占全世界份額近 50％。 

    自1980年以來(lái)，DSP芯片得(de)到了突飛猛進的發展，DSP芯片的應用越來(lái)越廣泛。從運算(suàn)速度來(lái)看，MAC（一次乘法和(hé)一次加法）時(shí)間(jiān)已經從80年代初的400ns（如TMS32010）降低(dī)到40ns（如TMS32C40），處理(lǐ)能力提高(gāo)了10多(duō)倍。DSP芯片內(nèi)部關鍵的乘法器(qì)部件從1980年的占模區(qū)的40左右下降到5以下，片內(nèi)RAM增加一個(gè)數(shù)量級以上(shàng)。從制(zhì)造工藝來(lái)看，1980年采用4μ的N溝道(dào)MOS工藝，而現在則普遍采用亞微米CMOS工藝。DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的最多(duō)64個(gè)增加到現在的200個(gè)以上(shàng)，引腳數(shù)量的增加，意味着結構靈活性的增加。此外，DSP芯片的發展，是DSP系統的成本、體(tǐ)積、重量和(hé)功耗都有(yǒu)很(hěn)大(dà)程度的下降。

 

    DSP芯片的分類

    DSP的芯片可(kě)以按照以下的三種方式進行(xíng)分類。

    1、按基礎特性分

    這是根據DSP芯片的工作(zuò)時(shí)鍾和(hé)指令類型來(lái)分類的。如果DSP芯片在某時(shí)鍾頻率範圍內(nèi)的任何頻率上(shàng)能正常工作(zuò)，除計(jì)算(suàn)速度有(yǒu)變化外，沒有(yǒu)性能的下降，這類DSP芯片一般稱之為(wèi)靜态DSP芯片。

    如果有(yǒu)兩種或兩種以上(shàng)的DSP芯片,它們的指令集和(hé)相應的機器(qì)代碼機管腳結構相互兼容，則這類DSP芯片稱之為(wèi)一緻性的DSP芯片。

    2、按數(shù)據格式分

    這是根據DSP芯片工作(zuò)的數(shù)據格式來(lái)分類的。數(shù)據以定點格式工作(zuò)的DSP芯片稱之為(wèi)定點DSP芯片。以浮點格式工作(zuò)的稱為(wèi)DSP芯片。不同的浮點DSP芯片所采用的浮點格式不完全一樣，有(yǒu)的DSP芯片采用自定義的浮點格式，有(yǒu)的DSP芯片則采用IEEE的标準浮點格式。

    3、按用途分

    按照DSP芯片的用途來(lái)分，可(kě)分為(wèi)通(tōng)用型DSP芯片和(hé)專用型的DSP芯片。通(tōng)用型DSP芯片适合普通(tōng)的DSP應用，如TI公司的一系列DSP芯片。專用型DSP芯片市為(wèi)特定的DSP運算(suàn)而設計(jì)，更适合特殊的運算(suàn)，如數(shù)字濾波，卷積和(hé)FFT等。

DSP芯片的選擇

   設計(jì)DSP應用系統，選擇DSP芯片時(shí)非常重要的一個(gè)環節。隻有(yǒu)選定了DSP芯片才能進一步設計(jì)外圍電(diàn)路集系統的其它電(diàn)路。總的來(lái)說，DSP芯片的選擇應根據實際的應用系統需要而确定。一般來(lái)說，選擇DSP芯片時(shí)考慮如下諸多(duō)因素。

    1． DSP芯片的運算(suàn)速度。運算(suàn)速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指标，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(suàn)速度可(kě)以用以下幾種性能指标來(lái)衡量：

    （1） 指令周期。就是執行(xíng)一條指令所需要的時(shí)間(jiān)，通(tōng)常以ns為(wèi)單位。

    （2） MAC時(shí)間(jiān)。即一次乘法加上(shàng)一次加法的時(shí)間(jiān)。

    （3） FFT執行(xíng)時(shí)間(jiān)。即運行(xíng)一個(gè)N點FFT程序所需的時(shí)間(jiān)。

    （4） MIPS。即每秒(miǎo)執行(xíng)百萬條指令。

    （5） MOPS。即每秒(miǎo)執行(xíng)百萬次操作(zuò)。

    （6） MFLOPS。即每秒(miǎo)執行(xíng)百萬次浮點操作(zuò)。

    （7） BOPS。即每秒(miǎo)執行(xíng)十億次操作(zuò)。

    2． DSP芯片的價格。根據一個(gè)價格實際的應用情況，确定一個(gè)價格适中的DSP芯片。

    3． DSP芯片的硬件資源。

    4． DSP芯片的運算(suàn)速度。

    5． DSP芯片的開(kāi)發工具。

    6． DSP 芯片的功耗。

    7． 其它的因素，如封裝的形式、質量标準、生(shēng)命周期等。

    

    DSP應用系統的運算(suàn)量是确定選用處理(lǐ)能力多(duō)大(dà)的DSP芯片的基礎。那(nà)麽如何确定DSP系統的運算(suàn)量以選擇DSP芯片呢？

    1． 按樣點處理(lǐ)

    按樣點處理(lǐ)就是DSP算(suàn)法對每一個(gè)輸入樣點循環一次。例如；一個(gè)采用LMS算(suàn)法的256抽頭德的自适應FIR濾波器(qì)，假定每個(gè)抽頭的計(jì)算(suàn)需要3個(gè)MAC周期，則256抽頭計(jì)算(suàn)需要256*3=768個(gè)MAC周期。如果采樣頻率為(wèi)8KHz，即樣點之間(jiān)的間(jiān)隔為(wèi)125μs的時(shí)間(jiān)，DSP芯片的MAC周期為(wèi)200μs，則768個(gè)周期需要153.6μs的時(shí)間(jiān)，顯然無法實時(shí)處理(lǐ)，需要選用速度更快的芯片。

    2． 按幀處理(lǐ)

    有(yǒu)些(xiē)數(shù)字信号處理(lǐ)算(suàn)法不是每個(gè)輸入樣點循環一次，而是每隔一定的時(shí)間(jiān)間(jiān)隔（通(tōng)常稱為(wèi)幀）循環一次。所以選擇DSP芯片應該比較一幀內(nèi)DSP芯片的處理(lǐ)能力和(hé)DSP算(suàn)法的運算(suàn)量。假設DSP芯片的指令周期為(wèi)P（ns），一幀的時(shí)間(jiān)為(wèi)⊿τ（ns），則該DSP芯片在一幀內(nèi)所提供的最大(dà)運算(suàn)量為(wèi)⊿τ/ P 條指令。

 

    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(shuǐ)線操作(zuò)；

    （3）專用的硬件乘法器(qì)；

    （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是将程序和(hé)數(shù)據存儲在不同的存儲空(kōng)間(jiān)中，即程序存儲器(qì)和(hé)數(shù)據存儲器(qì)是兩個(gè)相互獨立的存儲器(qì)，每個(gè)存儲器(qì)獨立編址，獨立訪問。與兩個(gè)存儲器(qì)相對應的是系統中設置了程序總線和(hé)數(shù)據總線，從而使數(shù)據的吞吐率提高(gāo)了一倍。由于程序和(hé)存儲器(qì)在兩個(gè)分開(kāi)的空(kōng)間(jiān)中，因此取指和(hé)執行(xíng)能完全重疊。

    流水(shuǐ)線與哈佛結構相關，DSP芯片廣泛采用流水(shuǐ)線以減少(shǎo)指令執行(xíng)的時(shí)間(jiān)，從而增強了處理(lǐ)器(qì)的處理(lǐ)能力。處理(lǐ)器(qì)可(kě)以并行(xíng)處理(lǐ)二到四條指令，每條指令處于流水(shuǐ)線的不同階段。 

    專用的硬件乘法器(qì)

    乘法速度越快，DSP處理(lǐ)器(qì)的性能越高(gāo)。由于具有(yǒu)專用的應用乘法器(qì)，乘法可(kě)在一個(gè)指令周期內(nèi)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(shuǐ)線操作(zuò)、專用的硬件乘法器(qì)、特殊的DSP指令再加上(shàng)集成電(diàn)路的優化設計(jì)可(kě)使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

    DSP系統的特點

    數(shù)字信号處理(lǐ)系統是以數(shù)字信号處理(lǐ)為(wèi)基礎，因此具有(yǒu)數(shù)字處理(lǐ)的全部特點：

    接口方便：

    DSP系統與其它以現代數(shù)字技(jì)術(shù)為(wèi)基礎的系統或設備都是相互兼容，這樣的系統接口以實現某種功能要比模拟系統與這些(xiē)系統接口要容易的多(duō)。

    編程方便：

    DSP系統種的可(kě)編程DSP芯片可(kě)使設計(jì)人(rén)員在開(kāi)發過程中靈活方便地對軟件進行(xíng)修改和(hé)升級。

    穩定性好：

    DSP系統以數(shù)字處理(lǐ)為(wèi)基礎，受環境溫度以及噪聲的影(yǐng)響較小(xiǎo)，可(kě)靠性高(gāo)。

    精度高(gāo)：

    16位數(shù)字系統可(kě)以達到的精度。

    可(kě)重複性好：

    模拟系統的性能受元器(qì)件參數(shù)性能變化比較大(dà)，而數(shù)字系統基本上(shàng)不受影(yǐng)響，因此數(shù)字系統便于測試，調試和(hé)大(dà)規模生(shēng)産。

    集成方便：

    DSP系統中的數(shù)字部件有(yǒu)高(gāo)度的規範性，便于大(dà)規模集成。

 

    DSP芯片的應用

    自從DSP芯片誕生(shēng)以來(lái)，DSP芯片得(de)到了飛速的發展。DSP芯片高(gāo)速發展，一方面得(de)益于集成電(diàn)路的發展，另一方面也得(de)益于巨大(dà)的市場(chǎng)。在短(duǎn)短(duǎn)的十多(duō)年時(shí)間(jiān)，DSP芯片已經在信号處理(lǐ)、通(tōng)信、雷達等許多(duō)領域得(de)到廣泛的應用。目前，DSP芯片的價格也越來(lái)越低(dī)，性能價格比日益提高(gāo)，具有(yǒu)巨大(dà)的應用潛力。DSP芯片的應用主要有(yǒu)：

   （1） 信号處理(lǐ)--如，數(shù)字濾波、自适應濾波、快速傅裏葉變換、相關運算(suàn)、頻譜分析、卷積等。

   （2） 通(tōng)信--如，調制(zhì)解調器(qì)、自适應均衡、數(shù)據加密、數(shù)據壓縮、回坡抵消、多(duō)路複用、傳真、擴頻通(tōng)信、糾錯編碼、波形産生(shēng)等。

   （3） 語音(yīn)--如語音(yīn)編碼、語音(yīn)合成、語音(yīn)識别、語音(yīn)增強、說話(huà)人(rén)辨認、說話(huà)人(rén)确認、語音(yīn)郵件、語音(yīn)儲存等。

   （4） 圖像/圖形--如二維和(hé)三維圖形處理(lǐ)、圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動畫(huà)、機器(qì)人(rén)視(shì)覺等。

   （5） 軍事--如保密通(tōng)信、雷達處理(lǐ)、聲納處理(lǐ)、導航等。

   （6） 儀器(qì)儀表--如頻譜分析、函數(shù)發生(shēng)、鎖相環、地震處理(lǐ)等。

   （7） 自動控制(zhì)--如引擎控制(zhì)、深空(kōng)、自動駕駛、機器(qì)人(rén)控制(zhì)、磁盤控制(zhì)。

   （8） 醫(yī)療--如助聽(tīng)、超聲設備、診斷工具、病人(rén)監護等。

   （9） 家(jiā)用電(diàn)器(qì)--如高(gāo)保真音(yīn)響、音(yīn)樂合成、音(yīn)調控制(zhì)、玩具與遊戲、數(shù)字電(diàn)話(huà)/電(diàn)視(shì)等