淺談數字信號處理器

2019-11-03 09:08:12

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劉銀碧盧彬王亮　　摘要：本文對數字信號處理器進行了概括和分析，涉及了數字信號處理器的發展，并結合其軟硬件特點，討論了數字信號處理器的優勢，提出了數字信號處理器現階段所面臨的問題和挑戰。

　　關鍵詞：DSP 數字信號處理系統軟硬件特點

一、DSP的發展歷程

　　信息化的基礎是數字化。數字化的核心技術之一是數字信號處理。數字信號處理的任務在很大程度上需要由DSP器件來完成。DSP技術已成為人們日益關注的并得到迅速發展的前沿技術。DSP可以代表數字信號處理器（Digital Signal PRocessor），也可以代表數字信號處理技術（Digital Signal Processing），后者是理論上的技術，要通過前者變成實際產品。兩者結合起來就成為解決某一實際問題和實現某一方案的手段即數字信號處理解決方案（DSPS）。本文側重對DSP的第一種解釋—數字信號處理器進行闡述。DSP是在模擬信號變換成數字信號以后進行高速實時處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快10～50倍。在當今的數字化時代背景下，DSP己成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件。業內人士預言，DSP將是未來集成電路中發展最快的電子產品，并成為電子產品更新換代的決定因素。

　　在DSP出現之前數字信號處理只能依靠MPU（微處理器）來完成。但MPU較低的處理速度無法滿足高速實時的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理論和算法基礎。而DSP僅僅停留在教科書上，即便是研制出來的DSP系統也是由分立組件組成的，其應用領域僅局限于軍事、航空航大部門。

　　隨著大規模集成電路技術的發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術制作，雖功耗和尺寸稍大，但運算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP芯片的問世標志著DSP應用系統由大型系統向小型化邁進了一大步。隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。80年代后期，第三代DSP芯片問世，運算速度進一步提高，其應用于范圍逐步擴大到通信、計算機領域。

　　90年代DSP發展最快，相繼出現了第四代和第五代DSP器件。現在的DSP屬于第五代產品，它與第四代相比，系統集成度更高，將DSP芯核及外圍組件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的DSP芯片不僅在通信、計算機領域大顯身手，而且逐漸滲透到人們日常消費領域，前景十分可觀。

二、DSP的特點及優勢

1.硬件特點

　?。?）DSP是屬于Modified Harvard架構，即它具有兩條內部總線：數據總線、程序總線。程序與數據存儲空間分開，各有獨立的地址總線和數據總線，取指和讀數可以同時進行，目前已達到90億次浮點運算/秒（9000MFLOPS）。

　　（2）采用流水作業。每條指令的執行劃分為取指令、譯碼、取數、執行等若干步驟，由片內多個功能單元分別完成。相當于多條指令并行執行，從而大大提高了運算速度。

　?。?）獨立的硬件乘法器。乘法指令在單周期內完成，優化卷積、數字濾波、FFT、相關、矩陣運算等算法中的大量重復乘法。

　?。?）循環尋址（Circular addressing），位倒序（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷積等運算中的尋址、排序及計算速度大大提高。1024點FFT的時間已小于1μs。

　?。?）獨立的DMA總線和控制器。有一組或多組獨立的DMA總線，與CPU的程序、數據總線并行工作，在不影響CPU工作的條件下，DMA速度已達800Mbyte/s以上。

　?。?）多處理器接口。使多個處理器可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度。

　?。?）JTAG（Joint Test Action Group）標準測試接口（IEEE 1149標準接口）。便于對DSP作片上的在線仿真和多DSP條件下的調試。

2.軟件特點

　?。?）立即數尋址：操作數為立即數，可直接從指令中獲取。例：MOV A，＠0x16；將常數0x16送給寄存器A。

　?。?）直接尋址：比如，TI公司的TMS320系列芯片將數據存儲器分為512頁，每頁128字。設置一個數據頁指針DP（Data Pointer），用9-bit指向一個數據頁，再加上一個7-bit的頁內偏移地址，形成16-bit的數據地址。這樣有利于加快尋址速度。

　?。?）間接尋址：①8個輔助寄存器，由一個輔助寄存器指針指定一個輔助寄存器算術單元作16-bit無符號數運算，決定一個新的地址，裝入輔助寄存器中的一個。②8個輔助寄存器的內容相當靈活，可以裝入、加上、減去立即數；可以從數據存儲器裝人地址；還可以作一些變址尋址。③由于采用反向迸位，得以實現位倒序尋址。

　?。?）獨特的乘法指令：例：MAC X0，Y0，A X：（R0）＋，X0 Y：（R4）＋N4，YO這條指令命令DSP56300：將寄存器X0和Y0中的數相乘，結果加到Acc A中，將寄存器R0所指的調存儲器地址中的值裝入寄存器X0，將寄存器R4所指的Y存儲器地址中的值裝入寄存器Y0 R0的值加1，寄存器N4的值加給R4。

　　以數字信號處理為基礎的DSP系統與傳統的模擬信號處理系統相比較的優點：

（1）接口簡單、方便。由于數字信號的電氣特性簡單，不同的DSP系統相互連接時，在硬件接口上容易實現。在數據流接口上，各系統間只要遵循特定的標準協議即可。

（2）精度高，穩定性好。數字信號處理僅受到兩化誤差和有限字長的影響，處理過程不引入其它噪聲，因此具有較高的信噪比。另外，模擬系統的性能受到元器件參數性能影響比較大，而數字系統基本不變，因此數字系統更便于測試、調試及批量生產。

（3）編程方便，容易實現復雜的算法。在DSP系統中，DSP芯片提供了一個高速計算平臺，系統功能依賴于軟件編程實現。當其與現代信號處理理論和計算數學相結合時，可以實現復雜的數字信號處理功能。

（4）集成方便。現代DSP芯片都是將DSP芯核及其外圍電路綜合集成在單一芯片上。這種結構便于設計便攜式高集成度的數字產品。

　　另外，現代DSP芯片作為可編程超大集成電路（VLSI）器件，通過可下載的軟件和固件來實現數字信號處理功能。DSP芯片除具備普通微處理器的運算和控制功能外，還針對高數據傳輸速率、數值運算密集的實時數字信號處理，在處理器結構、指令系統和指令流程設計上做了很大的改進。

三、DSP面臨的問題以及挑戰

　　日臻成熟的DSP仍然有許多需要改進的地方，同時也面臨著諸多挑戰。

　?。?）如何合理地安排數據流程，使之在DSP的各執行單元間無沖突地順利執行，仍是DSP開發人員面臨的重要的問題。由于設計的復雜性，將算法映射到DSP具體目標硬件上時，尚不能采用高層次編程語言，必須使用匯編語言，并對器件的并行執行機制有十分清楚的了解。而這種局限于匯編語言的編程設計，正是提高軟件開發效率的瓶頸。

　?。?）平行結構方面還存在問題。為了實現更高的吞吐量，就必須在特定單位時間內處理更多的數據位。VLIW技術代表了指令級的平行度。超標量結構和超管道結構也試圖在一個指令周期內得到更多的指令。數據級平行度由更寬的數據字、向量化和數據流結構來表示。由于數據字的寬度更大，因此每個指令周期指令可處理更多的數據，提高了每個時鐘周期可處理的數據位數。任務級或事務級平行度體現在多任務、多線程和多處理器設計中。這些結構有望提高數據處理吞吐量，但增加的數據和指令寬度以及隨之而來的數據處理吞吐量提高要付出一定的代價。當代碼密度和數據寬度與應用相匹配時，它們能起幫助作用，但當數據字寬度與處理器不相同時，它們反而會帶來很多麻煩。

　　（3）大量可用的片上高速緩存正變得對系統的總吞吐量越來越重要，因為標準的內存總線和接口已無法為系統中每個MAC的千兆字節數據傳輸率提供支持。系統其余部份能否與高速處理器相配也正成為一個大問題，帶有2個ALU單元的雙MAC處理器每一時鐘周期可能需要4個數據字，或每秒需要4千兆多個數據字。

　　（4）DSP的發展面臨的挑戰也體現在CPU速度的急速增快和價格的持續下降，使DSP制造商面臨兩種選擇，一種是加快DSP的發展，另一種是退出競爭。各個制造商必須以多元化投資轉到單一化投資，確立以DSPS為主要發展的產品，即集所有技術、所有產品于DSP。

四、DSP的發展趨勢與前景

　　DSP在其發展的道路上不斷滿足人們日益提高的要求，正在逐漸朝向個人化和低功耗化方向發展，DSP發展的前景是非?？捎^的。

（1）系統級集成DSP是潮流

　　縮小DSP芯片尺寸始終是DSP技術發展方向。當前的DSP多數基于RISC（精簡指令集計算）結構，這種結構的優點是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進DSP芯核，并將幾個DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲單元集成在一個芯片上，成為DSP系統級集成電路。

（2）可編程DSP是主導產品

　　可編程DSP給生產廠商提供了很大的靈活性。生產廠商可在同一個DSP平臺上開發出各種不同型號的系列產品，以滿足不同用戶的需求。同時，可編程DSP也為廣大用戶提供了易于升級的良好途徑。

（3）定點DSP是主流

　　從理論上講，雖然浮點DSP的動態范圍比定點DSP大，且更適合于DSP的應用場合，但定點運算的DSP器件的成本較低，對存儲器的要求也較低，而且耗電較省。因此，定點運算的可編程DSP器件仍是市場上的主流產品。據統計，目前銷售的DSP器件中的絕大多數屬于16位定點可編程DSP器件，預計今后的比重將逐漸增大。

（4）追求更高的運算速度

　　目前一般的DSP運算速度為100MipS，即每秒鐘可運算1億條指令。由于電子設備的個人化和客戶化趨勢，DSP必須追求更高更快的運算速度，才能跟上電子設備的更新步伐。DSP運算速度的提高，主要依靠新工藝改進芯片結構。當前DSP器件大都采用0.5μm～0.35μmCMOS工藝，按照CMOS的發展趨勢，DSP的運算速度再提高100倍（達到1600GIPS）是完全有可能的。

五、結束語

　　DSP在各個領域日益增長的應用帶動了DSP自身的發展，其在3C（Communications、Computers、Consumer）領域的運用已經占用了目前DSP市場占有量的90％，說明DSP在其它領域的潛力還是巨大的。在以后的發展中會以更加優良的性能出現在各個領域中。

摘自　數據通信

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