DSP认识及其发展趋势

P1DSP学习体会及其发展前景P2DSP一方面是DigitalSignalProcessing的缩写，意思是数字信号处理，就是指数字信号理论研究。DSP另一方面是DigitalSignalProcessor，意思是数字信号处理器，就是用来完成数字信号处理的器件。DSP的发展概况最初的DSP器件只是被设计成用以完成复杂数字信号处理的算法。DSP器件紧随着数字信号理论的发展而不断发展。在20世纪60年代，数字信号处理技术才刚刚起步。60年代中期以后，快速傅里叶算法的出现及大规模集成电路的发展大大促进了DSP技术与器件的飞速发展。DSP器件的发展大致可分为三个阶段：（1）1980年前后的雏形阶段。（2）1990年前后的成熟阶段。（3）2000年之后的完善阶段。DSP器件的特点1．高速、高精度运算能力（1）硬件乘法累加操作，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。（2）哈弗结构和流水线结构。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。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。使取指、译码和执行等操作可以重叠执行，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）硬件循环控制。大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。（4）特殊的寻址模式。DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对FFT很有用）。（5）具有丰富的外设。DSP具有DMA（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）、串口、定时器等外设。2．强大的数据通信能力。P33．灵活的可编程性。DSP骗内设置RAM和ROM，可以方便地拓展程序、数据及I/O空间，同时允许ROM和RAM直接数据传送。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4．低功耗设计。DSP可以工作在省电状态，节省了能源。DSP器件的应用自从DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。DSP芯片高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在短短的十多年时间，DSP芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP芯片的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP芯片的应用主要有：（1）信号处理--如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。（2）通信--如，调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。（3）语音--如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。（4）图像/图形--如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。（5）军事--如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。（6）仪器仪表--如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。（7）自动控制--如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。（8）医疗--如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。（9）家用电器--如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等DSP未来发展五大趋势最初的DSP器件只是被设计成用以完成复杂数字信号处理的算法。DSP器件紧随着数字信号理论的发展而不断发展。在20世纪60年代，数字信号处理技术才刚刚起步。60年代中期以后，快速傅里叶算法的出现及大规模集成电路的发展大大促进了DSP技术与器件的飞速发展。DSP器件的发展大致可分为三个阶段：（1）1980年前后的雏形阶段。（2）1990年前后的成熟阶段。（3）2000年之后的完善阶段。1．高速、高精度运算能力（1）硬件乘法累加操作，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。（2）哈弗结构和流水线结构。哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在P4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。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。使取指、译码和执行等操作可以重叠执行，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）硬件循环控制。大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。（4）特殊的寻址模式。DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对FFT很有用）。（5）具有丰富的外设。DSP具有DMA（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）、串口、定时器等外设。2．强大的数据通信能力。3．灵活的可编程性。DSP骗内设置RAM和ROM，可以方便地拓展程序、数据及I/O空间，同时允许ROM和RAM直接数据传送。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4．低功耗设计。DSP可以工作在省电状态，节省了能源。自从DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。DSP芯片高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在短短的十多年时间，DSP芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP芯片的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP芯片的应用主要有：（1）信号处理--如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。（2）通信--如，调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。（3）语音--如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。（4）图像/图形--如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。P5（5）军事--如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。（6）仪器仪表--如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。（7）自动控制--如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。（8）医疗--如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。（9）家用电器--如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等DSP未来发展五大趋势在4G无线通信领域，数据吞吐量已经达到了3G时代的100到1000倍;在多媒体处理器领域，每天都有新的标准涌现出来;在更多其它DSP应用领域，密集的数据处理器需求不断给处理器设计团队带来新的挑战。随着更多新应用的更高要求，未来的DSP发展将呈现哪些趋势?带着这个问题我们特意采访了ADI、Atmel、Freescale以及TI公司在DSP领域的资深专家，并总结出以下五大发展趋势：第一，DSP内核指令并行处理能力增强，SIMD(单指令多重数据)和VLIW(极长指令字)将会在新一代高性能处理器中占据主导地位。现在，几乎所有的DSP厂商都使用了VLIW构架，这一指令构架大大加强了DSP处理器的指令并行能力，而SIMD指令集能够大幅度提高数据并行处理能力，在通用处理器上也得到了大量使用。例如，CEVA最新的XC323内核就包括8路VLIW、512位SIMD操作、每周期32次MAC乘加运算，以及固有的复杂算术运算支持。这是CEVA针对4G应用推出的全新构架，直接针对高吞吐量高性能的应用需求。第二，在某些苛求高性能的应用中，多核DSP方案会越来越多。这点得益于半导体制造工艺的发展，单颗芯片上可以集成越来越多的晶体管，也符合处理器整体多核化的趋势，因为考虑到功耗的原因，单一内核通过提高主频的方式已经难以为继。依靠多核并行处理提高性能，已经成为整个行业的选择。例如德州仪器的C66x高性能多核DSP系列，最高可集成八个C66x内核，每个内核都可达到1GHz或1.25GHz的频率，总共可达到320GMAC和160GLOP定点和浮点性能，非常适合医疗和高端成像、测试和自动化、高性能计算和核心网络等高端应用。第三，同时支持定点和浮点计算。该趋势与通用处理器的发展方向保持一致，最早处理器也是整数运算单元和浮点运算单元分离的，现在的处理器都集成了整数和浮点计算单元。从目前面世的产品来看，德州仪器的TMS320C66x系列多核DSP已经融合了定点和浮点功能。德州仪器半导体事业部业务拓展经理丁刚表示：“在保证高性能的同时，统一定点和浮点支持更便于编程。TI已经完成了这点，我们认为业界也会跟进。”ADI的技术市场经理张铁虎对此表示认同：“今P6后几年，我们可以见到DSP向着32位的方向发展，同时支持整数和浮点算术指令集。”第四，单片DSP。单片DSP又被称为DSC(digitalsignalcontroller，数字信号控制器)，这也是SoC的概念，通过先进技术集成更多功能和接口来降低整体板级成本、功耗和大小，包括各种模拟数字片上外设、硬件加速、通用处理内核。德州仪器的达芬奇平台就是一个SoC的典型例子，此外还有飞思卡尔的MC56F82xx系列。MC56F82xx是基于56800E内核DSC系列的成员，它结合了微控制器(MCU)的功能和数字信号处理器(DSP)的处理能力，提供广泛的外设，包括带有NanoEdge布局技术的高速脉宽调制器以及两个超高速模数转换器(ADC)。飞思卡尔微控制器事业部高级系统工程师CharlieWu表示：“这种DSC会大量应用在新能源领域，如数字电源、太阳能发、混合动力汽车的电池充电管理等。”第五，DSP+MCU，也就是微控制器的融合。微控制器的成本低，是主要执行智能定向控制任务的通用处理器，能很好执行智能控制任务，但是它的缺点就是数字信号处理功能比较差，而DSP正好能弥补这一功能缺陷。许多应用都需要兼具智能控制和数字信号处理两种功能，因而，把DSP和微处理器进行结合，用单一芯片实现这两种功能，将会大大加速个人通信产品、智能电话、无线网络产品的开发，从而简化设计、减小PCB体积、减小功耗并降低整个系统成本。”32位MCU集成DSP的指令是发展方向，这个发展是出于成本的要求，许多的模拟控制电路会被数字控制(软件)取代。”飞思卡尔的CharlieWu解释道，“一般是32位MCU增加DSP所具有的乘累加指令，但是只是整数指令。这样一来，MCU也具有一些DSP的功能，可以进行一些对实时性要求不高的滤波器计算。MCU主要构架是单总线结构，同时有些哈佛总线结构，即一组程序总线加一组数据总线。今后MCU会向哈佛总线结构发展。但是这种总线结构的限制使它在做数字信号处理的实时性方面不可能向DSP一样强。”最早兼具DSP与MCU功能的平台应用于发动机控制领域，之后扩展到语音处理、传感器处理等应用，并取代了原有的带数字滤波器的合成模拟滤波器。现今，这一平台越来越广泛的应用到计算机、电话设备及以太网相关领域，同时在医疗、电器、空调、不间断电源、切换式电源、半导体照明等很多方面也不乏它们的身影。爱特梅尔公司亚太区战略营销总监曹介龙认为：“随着新一代具DSP功能MCU的面世，入门级DSP和普通MCU的差别变得越来越小，越来越模糊。”爱特梅尔