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浅谈数字信号处理器

2019-07-20 14:28发布

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浅谈数字信号处理器 刘银碧  卢 彬  王 亮摘  要：本文对数字信号处理器进行了概括和分析，涉及了数字信号处理器的发展，并结合其软硬件特点，讨论了数字信号处理器的优势，提出了数字信号处理器现阶段所面临的问题和挑战。
    关键词：DSP 数字信号处
理系统软硬件特点

一、DSP的发展历程
    信息化的基础是数字化。数字化的核心技术之一是数字信号处理。数字信号处理的任务在很大程度上需要由DSP器件来完成。DSP技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术。DSP可以代表数字信号处理器（Digital Signal Processor），也可以代表数字信号处理技术（Digital Signal Processing），后


者是理论上的技术，要通过前者变成实际产品。两者结合起来就成为解决某一实际问题和实现某一方案的手段即数字信号处理解决方案（DSPS）。本文侧重对DSP的第一种解释—数字信号处理器进行阐述。DSP是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10～50倍。在当今的数字化时代背景下，DSP己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。
    在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理论和算法基础。而DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立组件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航大部门。
    随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。
    90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围组件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域，前景十分可观。
二、DSP的特点及优势
1.硬件特点
    （1）DSP是属于Modified Harvard架构，即它具有两条内部总线：数据总线、程序总线。程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，目前已达到90亿次浮点运算/秒（9000MFLOPS）。
    （2）采用流水作业。每条指令的执行划分为取指令、译码、取数、执行等若干步骤，由片内多个功能单元分别完成。相当于多条指令并行执行，从而大大提高了运算速度。
    （3）独立的硬件乘法器。乘法指令在单周期内完成，优化卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。
    （4）循环寻址（Circular addressing），位倒序（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024点FFT的时间已小于1μs。
    （5）独立的DMA总线和控制器。有一组或多组独立的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达800Mbyte/s以上。
    （6）多处理器接口。使多个处理器可以很方便的并行或串行工作以提高处理速度。
    （7）JTAG（Joint Test Action Group）标准测试接口（IEEE 1149标准接口）。便于对DSP作片上的在线仿真和多DSP条件下的调试。
2.软件特点
    （1）立即数寻址：操作数为立即数，可直接从指令中获取。例：MOV A，＠0x16；将常数0x16送给寄存器A。
    （2）直接寻址：比如，TI公司的TMS320系列芯片将数据存储器分为512页，每页128字。设置一个数据页指针DP（Data Pointer），用9-bit指向一个数据页，再加上一个7-bit的页内偏移地址，形成16-bit的数据地址。这样有利于加快寻址速度。
    （3）间接寻址：①8个辅助寄存器，由一个辅助寄存器指针指定一个辅助寄存器算术单元作16-bit无符号数运算，决定一个新的地址，装入辅助寄存器中的一个。②8个辅助寄存器的内容相当灵活，可以装入、加上、减去立即数；可以从数据存储器装人地址；还可以作一些变址寻址。③由于采用反向迸位，得以实现位倒序寻址。
    （4）独特的乘法指令：例：MAC X0，Y0，A X：（R0）＋，X0  Y：（R4）＋N4，YO这条指令命令DSP56300：将寄存器X0和Y0中的数相乘，结果加到Acc A中，将寄存器R0所指的调存储器地址中的值装入寄存器X0，将寄存器R4所指的Y存储器地址中的值装入寄存器Y0 R0的值加1，寄存器N4的值加给R4。
    以数字信号处理为基础的DSP系统与传统的模拟信号处理系统相比较的优点：
    （1）接口简单、方便。由于数字信号的电气特性简单，不同的DSP系统相互连接时，在硬件接口上容易实现。在数据流接口上，各系统间只要遵循特定的标准协议即可。
    （2）精度高，稳定性好。数字信号处理仅受到两化误差和有限字长的影响，处理过程不引入其它噪声，因此具有较高的信噪比。另外，模拟系统的性能受到元器件参数性能影响比较大，而数字系统基本不变，因此数字系统更便于测试、调试及批量生产。
    （3）编程方便，容易实现复杂的算法。在DSP系统中，DSP芯片提供了一个高速计算平台，系统功能依赖于软件编程实现。当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时，可以实现复杂的数字信号处理功能。
    （4）集成方便。现代DSP芯片都是将DSP芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上。这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品。
    另外，现代DSP芯片作为可编程超大集成电路（VLSI）器件，通过可下载的软件和固件来实现数字信号处理功能。DSP芯片除具备普通微处理器的运算和控制功能外，还针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和指令流程设计上做了很大的改进。
三、DSP面临的问题以及挑战
    日臻成熟的DSP仍然有许多需要改进的地方，同时也面临着诸多挑战。
    （1）如何合理地安排数据流程，使之在DSP的各执行单元间无冲突地顺利执行，仍是DSP开发人员面临的重要的问题。由于设计的复杂性，将算法映射到DSP具体目标硬件上时，尚不能采用高层次编程语言，必须使用汇编语言，并对器件的并行执行机制有十分清楚的了解。而这种局限于汇编语言的编程设计，正是提高软件开发效率的瓶颈。
    （2）平行结构方面还存在问题。为了实现更高的吞吐量，就必须在特定单位时间内处理更多的数据位。VLIW技术代表了指令级的平行度。超标量结构和超管道结构也试图在一个指令周期内得到更多的指令。数据级平行度由更宽的数据字、向量化和数据流结构来表示。由于数据字的宽度更大，因此每个指令周期指令可处理更多的数据，提高了每个时钟周期可处理的数据位数。任务级或事务级平行度体现在多任务、多线程和多处理器设计中。这些结构有望提高数据处理吞吐量，但增加的数据和指令宽度以及随之而来的数据处理吞吐量提高要付出一定的代价。当代码密度和数据宽度与应用相匹配时，它们能起帮助作用，但当数据字宽度与处理器不相同时，它们反而会带来很多麻烦。
    （3）大量可用的片上高速缓存正变得对系统的总吞吐量越来越重要，因为标准的内存总线和接口已无法为系统中每个MAC的千兆字节数据传输率提供支持。系统其余部份能否与高速处理器相配也正成为一个大问题，带有2个ALU单元的双MAC处理器每一时钟周期可能需要4个数据字，或每秒需要4千兆多个数据字。
    （4）DSP的发展面临的挑战也体现在CPU速度的急速增快和价格的持续下降，使DSP制造商面临两种选择，一种是加快DSP的发展，另一种是退出竞争。各个制造商必须以多元化投资转到单一化投资，确立以DSPS为主要发展的产品，即集所有技术、所有产品于DSP。
四、DSP的发展趋势与前景
    DSP在其发展的道路上不断满足人们日益提高的要求，正在逐渐朝向个人化和低功耗化方向发展，DSP发展的前景是非常可观的。
    （1）系统级集成DSP是潮流
    缩小DSP芯片尺寸始终是DSP技术发展方向。当前的DSP多数基于RISC（精简指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。
    （2）可编程DSP是主导产品
    可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。
    （3）定点DSP是主流
    从理论上讲，虽然浮点DSP的动态范围比定点DSP大，且更适合于DSP的应用场合，但定点运算的DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前销售的DSP器件中的绝大多数属于16位定点可编程DSP器件，预计今后的比重将逐渐增大。
    （4）追求更高的运算速度
    目前一般的DSP运算速度为100MIPS，即每秒钟可运算1亿条指令。由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。DSP运算速度的提高，主要依靠新工艺改进芯片结构。当前DSP器件大都采用0.5μm～0.35μmCMOS工艺，按照CMOS的发展趋势，DSP的运算速度再提高100倍（达到1600GIPS）是完全有可能的。
五、结束语
    DSP在各个领域日益增长的应用带动了DSP自身的发展，其在3C（Communications、Computers、Consumer）领域的运用已经占用了目前DSP市场占有量的90％，说明DSP在其它领域的潜力还是巨大的。在以后的发展中会以更加优良的性能出现在各个领域中。
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