DSP

DSP 简介

2019-07-13 10:42发布

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1． 什么是DSP芯片
    DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：
（1） 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。
（2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。
（3） 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。
（4） 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。
（5） 快速的中断处理和硬件I/O支持。
（6） 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
（7） 可以并行执行多个操作。
（8） 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。 2. DSP芯片的发展
    世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美国Iintel公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。 1980年。日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP 芯片。第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi 公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。1983年，日本的Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns ，且具有双内部总线，从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能的浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。
    在这么多的DSP芯片种类中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司（Texas Instruments，简称TI）的一系列产品。TI公司灾982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代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以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。
    自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），处理能力提高了10多倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40左右下降到5以下，片内RAM增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用4μ的N沟道MOS工艺，而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，DSP芯片的发展，是DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。

3. DSP芯片的分类
    DSP的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。
（1）按基础特性分
    这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。
    如果有两种或两种以上的DSP芯片,它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容,则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。
（2）按数据格式分
    这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片。以浮点格式工作的称为DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。
（3）按用途分
    按照DSP芯片的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型的DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片。专用型DSP芯片市为特定的DSP运算而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和FFT等。 4. DSP芯片的基本结构
DSP芯片的基本结构包括：
（1）哈佛结构。哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。
（2）流水线操作。流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。
（3）专用的硬件乘法器。乘法速度越快，DSP处理器的性能越高。由于具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。
（4）特殊的DSP指令。特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。
（5）快速的指令周期。快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

5. DSP系统的特点
    数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部特点：
（1） 接口方便。DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多。
（2） 编程方便。DSP系统种的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。
（3） 稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。
（4） 精度高。16位数字系统可以达到的精度。
（5） 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模生产。
（6） 集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。

6. DSP芯片的应用
        现代数字信号处理器是执行高速数字信号处理的IC电路、它恰好适应多媒体信息化社会需求，迅速发展壮大。如今，世界电子器件市上，各种各样的DSP器件已相当丰富。大大小小封装形式的DSP器件，已广泛应用于各种产品的生产领域，而且DSP的应用领域仍在不断地扩大，发展迅速异常。
（1）数字化移动电话
　　数字化移动电话尽管花样繁杂，但基本上可划为两大类：高速移动电话和低速移动电话。其中，高速移动电话顾名思义是在高速移动体里使用的电话，诸如可在飞机、轮船和汽车等里自由通话的电话。虽然数字化高速移动通过标准很多，但当今普遍应用的是欧洲GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）标准。自从推出数字化蜂窝式电话机以来，现已遍布全球70多个国家广泛应用。俗称GSM标准的数字化蜂窝电话，叫作数字化大哥大，它具备国际漫游（Roaming）功能，SIMC（SubscriberIdentificationModuleCard）给用户带来使用大哥大的方便。现正在扩展数据通信服务能力以及它与ISDN系统兼容性，例如，英国BT公司的Cellnet部已经利用GSM提供数字化数据和传真服务，于是东芝笔记本电脑也安上了数字化的大哥大。
        低速移动电话就其实质而论。它是数字化无绳电话，仍然保持模拟式无绳电话的子母式结构：子机亦称为手机，可以距母机为百米左右半径内的空间里自由步行移动情况下实现通话；母机也称为基地站，可作为家庭里的留守电话，也可悬挂在商店的墙壁上，街道的电线柱上，广为分布。由统一的交换设施进行管理，实现无缝交递（SeamlessHandOn）功能。这类低速移动电话式标准很多。例如，欧洲较为普遍应用的DECI（DigitalEuropeanCordlessTelecommunictaion），日本、韩国、东南亚应用的PHS（PersonalHandy－phoneSystem）以及Philips和我国联合开发的DCCT（DigitalChinaCordlessTelephone）。其中，尤以PHS和DECT制式低速移动电话发展较快，我国的DCCT由于缺乏关键性的DSP技术仍处于设计阶段。
　　数字化移动电话（包括高速和低速）的每个手机，都要用至少1个DSP器，因此，高速发展的数字化移动电话急需极为大量的DSP器件。
（2）数据调制解调器
　　从所周知，数字信号处理器的传统应用领域之一，就是调制解调器。如今，调制解调器作为联系通信与多媒体信息处理系统的纽带，日益受到重视。特别是近年来Internet热潮，方兴未艾，普通百姓在Internet上冲浪蔚然成风。利用PC机通过调制解调器经由电话线路，实现拨号连接Internet已是最简便的访问形式。由于Internet用户急剧增加，一度致使28．8Kbps的调制解调器成为市场上的脱销产品。特别是由PC机上利用浏览程序调用活动图像信息时，期望使用数据传送速度更高的调制解调器。为适应这种新需求，国际上已制订出高速（33．6Kbps）调制解调器国际标准。这就意味，在高速调制解调器里需要更高性能的DSP器件。这种33．6Kbps的调制解调器（V．34）
是为传送数据而设计的，在此基础上发展出DSVD调制解调器，它既可传送数据又可传送声音。无疑，这样一来将需要更高功能的DSP器件。
　　随着高性能调制解调器不断出现，似乎低速的调制解调器如像V．17（14．4Kbps）再也没有用武之地。事实上，刚刚相反，如今信息家电抬头，例如PHS母机留守电话与个人FAX一体化的产品大量上市。这就是说，V．17（14．4Kbps）型的调制解调器仍有市场。于是，各种调制解调器里要求的DSP也是多种多样的。
（3）磁盘／光盘控制器需求
　　随着多媒体信息化的发展，各种信息存储媒体产品都应运而生，诸如磁盘存储器、CD－ROM和DVD（DigitalVersatileDisk）－ROM新产品纷纷上市。今日的磁盘驱动器HDD，存储容量已相当可观，大型HDD姑且不谈，就连普通PC机的HDD的存储容量已高在1GB以上，详见照片4。小型HDD向高密度、高存储容量和高速存取方向发展，其控制器必须具备高精度和高速响应特性，它所用的DSP性能也是今非昔比，高速DSP是必不可少的关键性器件。
　　日本的HDD技术不能超过美国，于是把主攻方向集中到光盘技术，在1996年日本第35届ElectronicsShow＇96上，终于把DVD－ROM产品公布于众。而且，日本并不以此为满足，志在夺取可擦写的DVD－RAM。仅就DVD－ROM而论，单面1片12cm盘片记录4．7GB信息量，相当于直径12cm的软盘FD片3200张之多，比CD－ROM存储容量高出6倍。如此高密度的DVD－ROM，读出控制的精细程度可想而知。
　　HDD和光盘机的控制器里之所以必须利用高速DSP，主要是利用其高速"积和"处理能力。因为，盘片旋转控制、磁头定位控制和光盘中的激光束聚焦控制，都是采数字伺服与系统控制技术。这是现在控制技术，建立在数学模型基础之上。通过复杂的矩阵运算实现控制。没有高速运算的DSP，是绝对不行的。
（4）图形图像处理需求
　　DVD里应用的活动图像压缩／解压缩用MPEG2编码／译码器，同时也广泛地应用于视频点播VOD、高品位有线电视和卫星广播等诸多领域。在这些领域里，应用的DSP应该具备更高的处理速度和功能。而且，活动图像压缩／解压技术也日新月异，例如，DCT变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量，于是出现了对以视觉感知特性为指导的小波分析图像压缩方法。新的算法出现，要求相应的高性能DSP。最近，日本各大学和高技术企业对于开发虚拟现实VR系统，投入相当力量，利用现代计算机图像学CG生成3维图形，迫切需要多个DSP并行处理系统。其中，系统里的结点DSP单元，要求采用与并行处理相适应的体系结构。
　　彩 {MOD}静止图像压缩／解压，现在普遍应用JPEG标准，其核心算法也是离散余弦变换。JPEG编码／译码器的应用，除了数字化照像机之外，估计彩 {MOD}打印机和彩 {MOD}扫描器也将要应用。因此，对于普通DSP的用量，必将日益增长。
（5）汽车电子系统及其它应用领域
　　汽车电子系统日益兴旺发达起来，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用DSP进行分析。如今，汽车愈来愈多，防冲撞系统已成为研究热点。而且，利用摄像机拍摄的图像数据需要经过DSP处理，才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶人员参考。
　　应用DSP的领域可以说是不胜枚举，电视会议系统里，也大量应用DSP器件。视听机器里也都应用DSP。随着科学技术的发展，将会出现许许多多的DSP新应用领域。

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