DSP芯片介紹

1 什么是DSP芯片

DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP 指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn)：

（1） 在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。

（2） 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)。

（3） 片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問。

（4） 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。

（5） 快速的中斷處理和硬件I/O支持。

（6） 具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。

（7） 可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。

（8） 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。

2 DSP芯片的發(fā)展

世界上第一個(gè)單片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美國Iintel公司發(fā)布的商用可編程期間2920是DSP芯片的一個(gè)主要里程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須的單周期芯片。 1980年。日本NEC公司推出的μPD7720是第一個(gè)具有乘法器的商用DSP 芯片。第一個(gè)采用CMOS工藝生產(chǎn)浮點(diǎn)DSP芯片的是日本的Hitachi 公司，它于1982年推出了浮點(diǎn)DSP芯片。1983年，日本的Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期為120ns ，且具有雙內(nèi)部總線，從而處理的吞吐量發(fā)生了一個(gè)大的飛躍。而第一個(gè)高性能的浮點(diǎn)DSP芯片應(yīng)是ATT公司于1984年推出的DSP32。

在這么多的DSP芯片種類中，最成功的是美國德克薩斯儀器公司（Texas Instruments，簡稱TI）的一系列產(chǎn)品。TI公司災(zāi)982年成功推出啟迪一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之后相繼推出了第二代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以及集多個(gè)DSP于一體的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。

自1980年以來，DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，DSP芯片的應(yīng)用越來越廣泛。從運(yùn)算速度來看，MAC（一次乘法和一次加法）時(shí)間已經(jīng)從80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），處理能力提高了10多倍。DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵的乘法器部件從1980年的占模區(qū)的40左右下降到5以下，片內(nèi)RAM增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。從制造工藝來看，1980年采用4μ的N溝道MOS工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米CMOS工藝。DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的最多64個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加。此外，DSP芯片的發(fā)展，是DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。

3 DSP芯片的分類

DSP的芯片可以按照以下的三種方式進(jìn)行分類。

（1）. 按基礎(chǔ)特性分

這是根據(jù)DSP芯片的工作時(shí)鐘和指令類型來分類的。如果DSP芯片在某時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱之為靜態(tài)DSP芯片。

如果有兩種或兩種以上的DSP芯片,它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼機(jī)管腳結(jié)構(gòu)相互兼容,則這類DSP芯片稱之為一致性的DSP芯片。

（2）. 按數(shù)據(jù)格式分

這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱之為定點(diǎn)DSP芯片。以浮點(diǎn)格式工作的稱為DSP芯片。不同的浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式。

（3）. 按用途分

按照DSP芯片的用途來分，可分為通用型DSP芯片和專用型的DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應(yīng)用，如TI公司的一系列DSP芯片。專用型DSP芯片市為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計(jì)，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波，卷積和FFT等。

4 DSP芯片的選擇

設(shè)計(jì)DSP應(yīng)用系統(tǒng)，選擇DSP芯片時(shí)非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)外圍電路集系統(tǒng)的其它電路?？偟膩碚f，DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。一般來說，選擇DSP芯片時(shí)考慮如下諸多因素。

1>． DSP芯片的運(yùn)算速度。運(yùn)算速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素。DSP芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來衡量：

（1） 指令周期。就是執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，通常以ns為單位。

（2） MAC時(shí)間。即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。

（3） FFT執(zhí)行時(shí)間。即運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需的時(shí)間。

（4） MIPS。即每秒執(zhí)行百萬條指令。

（5） MOPS。即每秒執(zhí)行百萬次操作。

（6） MFLOPS。即每秒執(zhí)行百萬次浮點(diǎn)操作。

（7） BOPS。即每秒執(zhí)行十億次操作。

2>． DSP芯片的價(jià)格。根據(jù)一個(gè)價(jià)格實(shí)際的應(yīng)用情況，確定一個(gè)價(jià)格適中的DSP芯片。

3>． DSP芯片的硬件資源。

4>． DSP芯片的運(yùn)算速度。

5>． DSP芯片的開發(fā)工具。

6>． DSP 芯片的功耗。

7>． 其它的因素，如封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、生命周期等。

DSP應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量是確定選用處理能力多大的DSP芯片的基礎(chǔ)。那么如何確定DSP系統(tǒng)的運(yùn)算量以選擇DSP芯片呢？

1>． 按樣點(diǎn)處理

按樣點(diǎn)處理就是DSP算法對(duì)每一個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次。例如；一個(gè)采用LMS算法的256抽頭德的自適應(yīng)FIR濾波器，假定每個(gè)抽頭的計(jì)算需要3個(gè)MAC周期，則256抽頭計(jì)算需要256*3=768個(gè)MAC周期。如果采樣頻率為8KHz，即樣點(diǎn)之間的間隔為125μs的時(shí)間，DSP芯片的MAC周期為200μs，則768個(gè)周期需要153.6μs的時(shí)間，顯然無法實(shí)時(shí)處理，需要選用速度更快的芯片。

2>． 按幀處理

有些數(shù)字信號(hào)處理算法不是每個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次，而是每隔一定的時(shí)間間隔（通常稱為幀）循環(huán)一次。所以選擇DSP芯片應(yīng)該比較一幀內(nèi)DSP芯片的處理能力和DSP算法的運(yùn)算量。假設(shè)DSP芯片的指令周期為P（ns），一幀的時(shí)間為⊿τ（ns），則該DSP芯片在一幀內(nèi)所提供的最大運(yùn)算量為⊿τ/ P 條指令。

5 DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)

DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)包括：

（1）哈佛結(jié)構(gòu)；

（2）流水線操作；

（3）專用的硬件乘法器；

（4）特殊的DSP指令；

（5）快速的指令周期。

哈佛結(jié)構(gòu)

哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。由于程序和存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。

流水線與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。處理器可以并行處理二到四條指令，每條指令處于流水線的不同階段。入圖示出一個(gè)三級(jí)流水線操作的例子。

CLLOUT1

取指 N N-1 N-2

譯碼 N-1 N N-2

執(zhí)行 N-2 N-1 N

圖4-1 三級(jí)流水線操作

專用的硬件乘法器

乘法速度越快，DSP處理器的性能越高。由于具有專用的應(yīng)用乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。

特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。

快速的指令周期哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

6 DSP系統(tǒng)的特點(diǎn)

數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部特點(diǎn)：

（1） 接口方便。DSP系統(tǒng)與其它以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容，這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易的多。

（2） 編程方便。DSP系統(tǒng)種的可編程DSP芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)。

（3） 穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高。

（4） 精度高。16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到的精度。

（5） 可重復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測(cè)試，調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。

（6） 集成方便。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。

7 DSP芯片的應(yīng)用

自從DSP芯片誕生以來，DSP芯片得到了飛速的發(fā)展。DSP芯片高速發(fā)展，一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場(chǎng)。在短短的十多年時(shí)間，DSP芯片已經(jīng)在信號(hào)處理、通信、雷達(dá)等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，DSP芯片的價(jià)格也越來越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。DSP芯片的應(yīng)用主要有：

（1） 信號(hào)處理--如，數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅里葉變換、相關(guān)運(yùn)算、頻譜分析、卷積等。

（2） 通信--如，調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回坡抵消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、糾錯(cuò)編碼、波形產(chǎn)生等。

（3） 語音--如語音編碼、語音合成、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)、說話人辨認(rèn)、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音儲(chǔ)存等。

（4） 圖像/圖形--如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強(qiáng)、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺等。

（5） 軍事--如保密通信、雷達(dá)處理、聲納處理、導(dǎo)航等。

（6） 儀器儀表--如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等。

（7） 自動(dòng)控制--如引擎控制、深空、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制。

（8） 醫(yī)療--如助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)等。

（9） 家用電器--如高保真音響、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲、數(shù)字電話/電視等