当今DSP的发展及应用研究

当今DSP的发展及应用研究一、DSP的简介：数字信号处理（DSP,digitalsignalprocessing）是一门涉及许多领域的新兴学科，在现代科技发展中发挥着极其重要的作用。近年来，数字信号处理理论在不断取得进步的同时，随着半导体技术的突飞猛进，专用的数字信号处理器芯片也获得了飞速发展。数字信号处理器是在模拟信号变换为数字信号后对数字信号进行高速实时处理的专用处理器，它具有计算速度快、体积小、功耗低等优点，是实现数字信号处理的强大工具。近年来，随着半导体技术的进步，处理器芯片的处理能力越来越强大，使得信号处理的研究可以主要放在算法和软件方面，不再像过去那样需要过多考虑硬件。由于它的出色性能，DSP目前被广泛应用于数字通信、信号处理、工业控制、图像处理等领域。二、DSP的发展历程：DSP发展历程大致分为四个阶段：第一阶段是70年代理论先行，第二阶段是80年代产品普及，第三阶段是90年代突飞猛进，第四阶段是21世纪再创辉煌。第一阶段：理论发展。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，直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。第二阶段：产品普及。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芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至80年代中期，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都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。第三阶段：迅速发展。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属于第六代产品，它与第五代相比，系统集成度更高，将DSP核芯及外围元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。第四阶段：再创辉煌。经过30多年的发展，DSP产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。目前，对DSP爆炸性需求的时代已经来临，前景十分可观。三、DSP硬件特点：（1）虽然应用于不同领域的DSP(有不同的型号但其内部结构大同小异，都具有哈佛（Harvard）结构的特征!其片内程序空间与数据空间是分开的。而且还允许数据空间和程序空间之间相互传送数据即改进的哈佛结构。（2）流水技术。流水技术使多个不同的操作可以同时执行,处理器内将每条指令的执行分为取址、解码、执行等阶段,不同的阶段并行执行,提高了程序执行的效率和速度。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算法。（4）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。（5）JTAG（JointTestActionGroup）标准测试接口（IEEE1140标准接口）。便于对DSP进行片上在线仿真和多DSP条件下的测试。四、DSP芯片特点：DSP处理芯片，为了适应信号处理运算的需要，结构与通用的其他计算机或控制处理器相比，有较大的不同，主要的几点为：(1)具有专用的算术单元，如硬件乘法器，DSP内部设有硬件乘法器来完成乘法操作，以提高乘法速度。(2)具有特殊的总线结构——哈佛结构。这种结构使DSP具有独立的地址总线和数据总线，可以同时取地址和操作数。(3)流水处理。流水技术使多个不同的操作可以同时执行，处理器内将每条指令的执行分为取址、解码、执行等阶段，不同的阶段并行执行，提高了程序执行的效率和速度。(4)高速的片内存储器。DSP芯片一般内部集成有程序和数据存储器，访问速度快，缓解总线接口的压力，提高程序执行的速度。一些其他特殊功能的DSP芯片还具有一些专用的设计结构，这里不一一列出。总之，DSP功能上的特点很大程度上是针对数字信号处理算法的特点，针对性地组成专用的结构，以满足处理的需要。五、世界主要的DSP芯片制造公司及其产品：（1）TI公司。TI（TexasInstruments）公司在业界一直处于领先的地位。近年，TI在原来的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基础上又推出了3种高性价比的DSP系列：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。这3种芯片，在我国的信号处理硬件领域应用也是非常广泛，下面作些简要介绍：TMS320C2000系列主要用于工业控制领域，提供了全系列的高性能控制芯片，代码运行效率高。除了较强的控制功能之外，还提供了方便的接口与高性能外围器件相连。主要型号有TMS320C24X和28X系列。TMS320C5000系列为高性能的低功耗定点DSP芯片。处理速度最高可以达到900MIPS，功耗很低，可以达到0.33mA/MHz。非常适合移动和手持系统的应用。主要有TMS320C54X和55X系列。TMS320C6000系列为新一代高性价比DSP芯片，是高端DSP处理器的代表。C6000系列的DSP定点运算可以达到1200到8000MIPS（百万条指令/秒），浮点运算可以达到600到1800MFLOPS（百万次浮点操作/秒）的运算速度。主要有定点系列的TMS320C62X和浮点系列的TMS320C67X。TMS320C64X为TI最新推出的高性能定点DSP处理器，时钟速度提高到1GHz，单片处理能力可达到8000MIPS。（2）AnalogDevice公司。ADI公司的DSP目前主要分为3个系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。SHARC系列一直在雷达、声纳信号处理等领域享有很高的声誉，很多商用、军用的信号处理机中都可以看到SHARC的身影。单片处理能力有限的SHARC之所以能够在通信信号处理领域有这么高的声誉，完全是由于ADI优秀的片间互连技术（LINK口），利用这个LINK口可以很方便地将几片、几十片SHARC连接起来组成DSP阵列，从而在单片处理能力达不到要求的场所利用DSP阵列就很容易达到了。Blackfin是近几年推出的针对性能要求比较高，同时功耗要求又比较低的场所。它所具备的优点很适合在便携式通信产品中应用。TigerSHARC是从SHARC改进的高端DSP，它的出现是ADI公司的DSP在高端领域应用开创了历史性的局面。新推出的第二代TigerSHARCADSP-TS201S主频高达600MHz，处理能力高达14.4GOPS，还有超大容量的RAM，使它一出世就在高端领域脱颖而出。尤其适合软件无线电的应用。DSP已经发展成为了一种成熟的技术，也是一种成熟的产品，它在数字信息时代占据越来越重要的位置，所以其市场的扩展还存在着巨大的空间。DSP的性能、价格和功耗是决定其市场的三个重要因素。挑战更高的性能，尽可能降低价格和功耗，一直是DSP追求的目标。六、DSP芯片的应用：DSP技术在数据通信、汽车电子、图像处理以及声音处理等领域应用广泛。（1）数字化移动电话：数字移动电话可划为两大类：高速移动电话和低速移动电话。而无论是高速移动电话还是低速移动电话，都要用至少1个DSP，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：数字信号处理器的传统应用领域之一，就是调制解调器。调制解调器是联系通信与多媒体信息处理系统的纽带。利用PC机通过调制解调器经由电话线路，实现拨号连接Internet是最简便的访问形式。由于Internet用户急剧增加，由PC机上利用浏览程序调用活动图像信息量增大，就需要使用数据传送速度更高的调制解调器。这就意味，在高速调制解调器里需要更高性能的DSP器件。（3）磁盘／光盘控制器需求多种信息存储媒体产品的迅速发展，诸如磁盘存储器、CD－ROM和DVD（DigitalVersatileDisk）－ROM的纷纷上市。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的存储容量也远在1GB以上，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。（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。这些领域应用的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。（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，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用DSP进行分析。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。因此，DSP在汽车电子领域的应用也必然会越来越广泛。（6）声音处理。声音数字压缩技术早已开始应用，其中以脉冲编码调制(PCM)的方法最普遍。由于其只能压缩50%数字，不足以应付未来计算机应用。而DSP技术已经在音效应用中得到广泛采用，例如应用于多媒体音效卡。而高质量、高速度的声音处理技术，就需要更多高性能DSP的应用。七、DSP处理系统的发展现状：7.1国际发展现状：简略国际DSP处理发展的现状，国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。欧美等科技大国保持着国际领先的地位。例如美国DSPresearch公司，Pentek公司，Motorola公司，加拿大Dy4公司等，他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。以Pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司300MHz的TMS320C6203芯片，具有19200MIPS的处理能力，同时集成了8片32MB的SDRAM，数据吞吐600MB/s。该公司另一款处理板4294集成了4片MotorolaMPC7410G4PowerPC处理器，工作频率400/500MHz，两级缓存256K×64bit，最高具有16MB的SDRAM。ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的协同工作能力，可以组成强大的处理器阵列，在诸多领域（特别是军事领域）获得了广泛的应用。以英国TranstechDSP公司的TP-P36N为例，它由4～8片TS101b（TigerSharc）芯片构成，时钟250MHz，具有6～12GFLOPS的处理能力。DSP应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的20年中，这一进程在不断重复进行，而且周期在不断缩小。在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场，因此，DSP的产业化进程还是需要加速进行。随着竞争的加剧，DSP生产商随时调整发展规划，以全面的市场规划和完善的解决方案，加上新的开发历年，不断深化产业化进程。7.2国内发展现状：国内发展DSP的厂商并不多，而主要的应用产品是DVD与无线电话等，因此国内DSP的产值并不高；而在产品应用上，目前重要的DSP应用产品，如行动电话、调制解调器、HDD等个人计算机与通讯领域应用产品，都是采用国际大厂的DSPsolution，因此国内厂商尚无插足的余地。在未来的发展上，国内的业者如欲进入DSP领域，在目前这个垄断市场情况相当明显的情势之下，应避免与国际大厂在其擅长的领域正面交锋，若能另辟市场，选择利基产品切入，例如消费性电子产品市场，则尚有机会在DSP市场一搏，目前国内已有相当不错成绩的DVD产