DSP軟件向桌面和嵌入式系統(tǒng)挑戰(zhàn)

　　90年代早期，嵌入式系統(tǒng)和桌面應(yīng)用的開(kāi)發(fā)人員曾面臨相似的問(wèn)題。當(dāng)時(shí)為提高設(shè)計(jì)效率而采用的方法現(xiàn)在仍可借鑒使用。一個(gè)短期的解決方案是由編程人員自己解決這一問(wèn)題。但是，編程人員相對(duì)短缺，而且DSP領(lǐng)域編程人員更為緊缺。在DSP開(kāi)發(fā)時(shí)，可以考慮采用非DSP專(zhuān)業(yè)的編程人員，但這些人員一般傾向于使用桌面和嵌入式應(yīng)用的開(kāi)發(fā)工具。而DSP開(kāi)發(fā)領(lǐng)域還沒(méi)有類(lèi)似的工具，這就阻礙了DSP應(yīng)用的進(jìn)一步推廣。

　　開(kāi)發(fā)相似，實(shí)質(zhì)不同

　　即使采用了上述的開(kāi)發(fā)工具，DSP還具有不同于RISC和CISC的獨(dú)特特征。DSP處理能力不僅靠越來(lái)越快的時(shí)鐘速率來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且還依賴(lài)于并行處理結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步采用。早期的DSP僅含有單個(gè)多路器和累加器，由哈佛結(jié)構(gòu)以及一些控制寄存器環(huán)路組成。而目前的DSP處理器通常采用多個(gè)執(zhí)行單元，每個(gè)執(zhí)行單元都由算數(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU），一個(gè)多路器和累加器組成，而且這些執(zhí)行單元可以并行執(zhí)行。

　　美國(guó)I.C.Com 公司在與西門(mén)子半導(dǎo)體公司的合作中，開(kāi)發(fā)出了Carmel DSP，它通過(guò)一個(gè)非常類(lèi)似C的匯編語(yǔ)言來(lái)解決DSP開(kāi)發(fā)面臨的上述瓶頸問(wèn)題。

　　I.C.Com公司VLSI設(shè)計(jì)副總裁Amnon Rom說(shuō)：“我們的目的是使我們的匯編語(yǔ)言Carmel盡可能地接近C語(yǔ)言。對(duì)DSP開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，減少開(kāi)發(fā)過(guò)程中從浮點(diǎn)算法轉(zhuǎn)換到固定點(diǎn)算法，然后再到匯編語(yǔ)言程序所需的時(shí)間非常重要。通過(guò)將匯編語(yǔ)言與之一一對(duì)應(yīng)，從而減去了從C語(yǔ)言到匯編語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)步驟?！?

　　友好易用的硬件系統(tǒng)

　　美國(guó)ZSP公司采用易于編譯的硬件系統(tǒng)來(lái)解決DSP開(kāi)發(fā)中面臨的這一問(wèn)題。其硬件系統(tǒng)包含一個(gè)正交指令集，一個(gè)透

　　ZSP公司提供一套完整的軟件開(kāi)發(fā)工具，讓編程人員管理復(fù)雜的DSP編程任務(wù)。可以通過(guò)命令行直接調(diào)用這一工具，或者通過(guò)使用Premia的Codewright編輯器。Codewright是一個(gè)開(kāi)發(fā)工作平臺(tái)，通過(guò)它可啟動(dòng)其他應(yīng)用程序。ZSP就是采用該平臺(tái)來(lái)管理其Gnu編譯器、匯編器、鏈接器、仿真器以及調(diào)試工具。

　　Codewright開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)一步擴(kuò)展，包括了設(shè)計(jì)項(xiàng)目目錄管理功能，對(duì)項(xiàng)目可執(zhí)行程序的生成進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。針對(duì)基本的DSP軟件開(kāi)發(fā)，ZSP公司提供了一個(gè)完整的解決方案。

　　美國(guó)TI公司認(rèn)為DSP未來(lái)的發(fā)展在于軟件，并已經(jīng)開(kāi)始著手兩項(xiàng)開(kāi)發(fā)。首先，它將Code Composer IDE的功能與DSP/BIOS和RTDX驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行集成，組成綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境Code Composer Studio。這是TI將其收購(gòu)的GoDSP公司Code Composer DSP調(diào)試工具與Spectron的低檔DSP操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一集成的結(jié)果。其次，它建立了DSP軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口，以便更好地重新利用現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)了的DSP算法。

　　TI公司認(rèn)為，通過(guò)將一個(gè)匯編語(yǔ)言?xún)?yōu)化器集成到其Code Composer開(kāi)發(fā)環(huán)境，從而減少了對(duì)匯編語(yǔ)言的需要。據(jù)稱(chēng)該工具產(chǎn)生的編碼的效率可達(dá)到手工調(diào)試的匯編語(yǔ)言的80。

　　對(duì)DSP開(kāi)發(fā)，每個(gè)MIP和存儲(chǔ)器字非常珍貴，對(duì)這一資源的任何浪費(fèi)都會(huì)影響項(xiàng)目的進(jìn)展，使之難以完成。但為了提高軟件開(kāi)發(fā)效率，也必須犧牲一些MIP和存儲(chǔ)器為了更好地開(kāi)發(fā)

　　對(duì)DSP開(kāi)發(fā)，每個(gè)MIP和存儲(chǔ)器字（Word）非常珍貴，對(duì)這一資源的任何浪費(fèi)都會(huì)影響項(xiàng)目的進(jìn)展，使之難以完成。但為了提高軟件開(kāi)發(fā)效率，也必須犧牲一些MIP和存儲(chǔ)器。這些MIP和存儲(chǔ)器資源是用在DSP內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面，訪(fǎng)問(wèn)程序?qū)SP算法的內(nèi)部表達(dá)方式轉(zhuǎn)換成共用的方式，以便進(jìn)行通信。

　　TI公司提出的軟件標(biāo)準(zhǔn)包含兩個(gè)方面，一是處理目標(biāo)硬件與主機(jī)的接口，另一方面處理內(nèi)部的API（應(yīng)用程序接口）集，以提供DSP軟件模塊間的通信。在主機(jī)一側(cè)，是Active X程序集，用來(lái)處理與目標(biāo)硬件間的通信，并模擬目標(biāo)器件的行為。這里主機(jī)接口包括以下四個(gè)主組：項(xiàng)目服務(wù)器，編輯服務(wù)器，圖象服務(wù)器和調(diào)試服務(wù)器。其中調(diào)試服務(wù)器用來(lái)建立和維持與目標(biāo)硬件間的通信。在目標(biāo)硬件一側(cè)，鏈接依賴(lài)于RTDX和DSP BIOS。

Blue Wave Systems的產(chǎn)品經(jīng)理Nick Keeling對(duì)Code Composer Studio表示很大的興趣，他說(shuō)，通過(guò)這一產(chǎn)品，可以看到DSP軟件開(kāi)發(fā)步入成熟。這一進(jìn)程是TI與其第三方DSP板級(jí)開(kāi)發(fā)商共同合作的結(jié)果，從Code Composer Studio開(kāi)發(fā)的初期，第三方板級(jí)開(kāi)發(fā)商就積極地參與了進(jìn)來(lái)。而這一參與使第三方廠(chǎng)商有能力對(duì)Code Composer Studio的功能開(kāi)展進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。 

　　Blue Wave Systems公司正對(duì)Code Composer Studio進(jìn)行改進(jìn)，使它能自動(dòng)識(shí)別與之相連的任何電路板，包括讀取電路板上的配置信息，以及識(shí)別安裝在電路板上的驅(qū)動(dòng)程序類(lèi)型。該公司可提供這種電路板和改進(jìn)后的具備自動(dòng)識(shí)別功能的Code Composer Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境。 

　　Analog Devices公司的Visual DSP工具集與TI公司的Code Composer類(lèi)似，但不包括主機(jī)與目標(biāo)硬件的鏈接。該工具支持其全部SHARC DSP系列產(chǎn)品。 

　　Visual DSP是集成了IDE和調(diào)試器的一個(gè)項(xiàng)目管理工具。原碼調(diào)試工作可在一個(gè)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合環(huán)境中完成。同時(shí)調(diào)試工作可通過(guò)一個(gè)硬件仿真器在主機(jī)上進(jìn)行，也可直接在目標(biāo)硬件上實(shí)現(xiàn)。 

　　目標(biāo)器件接口數(shù)據(jù)流可通過(guò)中斷的隨機(jī)組合來(lái)仿真。并可在指定的地址范圍內(nèi)和地址范圍外設(shè)置觀(guān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢查。這種功能使開(kāi)發(fā)人員能更好地處理堆棧資源的下溢和上溢。 

　　DSP：數(shù)字化時(shí)代的驕子 

　　在即將告別20世紀(jì) 、步入21世紀(jì)的世紀(jì)之交的時(shí)刻，讓我們首先回顧一下國(guó)際上電子工業(yè)最近30年來(lái)發(fā)展的歷程：  
70年代的電子工業(yè)以消費(fèi)電子為主，代表性的產(chǎn)品是錄像機(jī)、攝像機(jī)、彩電，主要的生產(chǎn)廠(chǎng)商是日本的Sony、JVC、荷蘭的Philips等家電廠(chǎng)商，依靠的是大規(guī)模生產(chǎn)和優(yōu)秀的質(zhì)量。80年代是計(jì)算機(jī)時(shí)代，代表性的產(chǎn)品是PC機(jī)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)，主要生產(chǎn)廠(chǎng)商是美國(guó)的Intel、IBM、Microsoft、Compaq等公司。90年代起是信息時(shí)代，代表性的產(chǎn)品是個(gè)人通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、數(shù)字化消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，主要生產(chǎn)廠(chǎng)商目前尚難確定，處于戰(zhàn)國(guó)七雄爭(zhēng)霸時(shí)代，主要獲勝的戰(zhàn)略之一是以DSP為核心的技術(shù)及其創(chuàng)新產(chǎn)品。 

　　DSP可以代表數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，也可以代表數(shù)字信號(hào)處理器，其實(shí)兩者是不可分割的，前者是理論上的技術(shù)，要通過(guò)后者變成實(shí)際產(chǎn)品。兩者結(jié)合起來(lái)就成為解決某一實(shí)際問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)某一方案的手段——數(shù)字信號(hào)處理解決方案（DSPS）。 

　　DSPS正在改變我們生活方式的各個(gè)方面，例如人們之間的聯(lián)系方式正由電話(huà)轉(zhuǎn)向個(gè)人通信方式。人類(lèi)從電話(huà)發(fā)明到5千萬(wàn)電話(huà)用戶(hù)數(shù)花了70年時(shí)間，模擬蜂窩電話(huà)達(dá)到5千萬(wàn)用戶(hù)花了14年，而數(shù)字蜂窩電話(huà)（GSM是其中之一）只花了5年就達(dá)到相同的用戶(hù)數(shù)。 

　　再如我們的娛樂(lè)方式，VCD、DVD正替代VHS錄像機(jī)，數(shù)字電視機(jī)開(kāi)始替代模擬的NTSC或PAL制電視機(jī)。家庭影院主要由數(shù)字化A/V設(shè)備組成，DSP不僅給你環(huán)繞聲，還為你虛擬各種現(xiàn)場(chǎng)效果。 

　　DSP日益進(jìn)入人們的生活，所以DSP芯片的年增長(zhǎng)率超過(guò)50，在最近幾年整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)量下降的情況下，唯有DSP芯片保持高速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。 

　　DSP的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)是CPU速度的急速增快和價(jià)格的持續(xù)下降，使DSP制造商面臨兩種選擇，一種是加快DSP的發(fā)展，另一種是退出競(jìng)爭(zhēng)?？磥?lái)主要的DSP制造商都選擇了第一種路線(xiàn)，尤其是占全球DSP銷(xiāo)售份額45的美國(guó)TI公司在對(duì)公司的產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)性調(diào)整的基礎(chǔ)上，以多元化投資轉(zhuǎn)到單一化投資，確立以DSPS為主要發(fā)展的產(chǎn)品，即集所有技術(shù)、所有產(chǎn)品于DSP。 

　　TI公司在原來(lái)已被人們熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基礎(chǔ)上發(fā)展了三種新的DSP系列，它們是：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列，成為當(dāng)前和未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)TI DSP的主流產(chǎn)品，前面提到的那些老型號(hào)產(chǎn)品均將被這三種新系列產(chǎn)品替代。從今年開(kāi)始，’C1X、’C25、C5X、C8X的價(jià)格每年都會(huì)上調(diào)，今年提升了10。而’C2000、’C5000和’C6000三種新系列芯片的價(jià)格會(huì)逐年作較大幅度的下調(diào)，因此無(wú)論從價(jià)格還是技術(shù)支持或是從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的連續(xù)性出發(fā)，建議大家盡量采用新的DSP系列，在進(jìn)行教學(xué)、培訓(xùn)時(shí)也應(yīng)介紹這三種新的系列。 

　　三種新型TMS320 DSP系列的特點(diǎn) 

　　1.TMS320C2000——作控制用的最佳DSP，可以替代老的’C1X和’C2X?，F(xiàn)在有趨勢(shì)集中在以下兩個(gè)方向上： 

　　（1）C20X 16位定點(diǎn)DSP，速度為20MIPS，主要用途是電話(huà)、數(shù)字相機(jī)、售貨機(jī)等，其中：’F206帶有閃速存儲(chǔ)器，售價(jià)從5～17美元。 


　?。?）C24X 16位定點(diǎn)DSP，速度為20MIPS，用作數(shù)字馬達(dá)控制、工業(yè)自動(dòng)化、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、空調(diào)等，售價(jià)從4～18美元。 

2.TMS320C5000——低功耗高性能DSP，16位定點(diǎn)，速度40～200MIPS。主要用途是有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信、IP、便攜式信息系統(tǒng)、尋呼機(jī)、助聽(tīng)器等。價(jià)格5～75美元。 

　　目前，C5000系列中又有三種新成員，一種是’C5402，這是廉價(jià)型的DSP，目標(biāo)價(jià)格是每片5美元（50K批量），速度保持100MIPS，片內(nèi)存儲(chǔ)空間稍小一些，RAM為16K、ROM為4K。主要應(yīng)用對(duì)象是無(wú)線(xiàn)Modem、新一代PDA、網(wǎng)絡(luò)電話(huà)和其它電話(huà)系統(tǒng)以及消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。 

　　第二種是C5420，它擁有兩個(gè)DSP核，速度達(dá)到200MIPS，200K片內(nèi)RAM，功耗0.32mA/MIPS，200MIPS全速工作時(shí)不超過(guò)120mW，為業(yè)內(nèi)功耗最低的DSP。’C5420是當(dāng)今集成度最高的定點(diǎn)DSP，適合于做多通道基站、服務(wù)器、Modem和電話(huà)系統(tǒng)等要求高性能、低功耗、小尺寸的場(chǎng)合  
。 

　　第三種是C5416，它是TI公司0.15μm器件中的第一款，速度為160MIPS，有三個(gè)多通道緩沖串行口（McBSPs），能夠直接與T1或E1線(xiàn)路聯(lián)接，不需要外部邏輯電路，有128K片內(nèi)RAM。應(yīng)用對(duì)象是VoIP、通信服務(wù)器、PBX（專(zhuān)用小交換機(jī)）和計(jì)算機(jī)電話(huà)系統(tǒng)等。 

　　3.TMS320C6000——這是TI公司1997年2月推向市場(chǎng)的高性能DSP，綜合了目前DSP的所有優(yōu)點(diǎn)，具有最佳的性?xún)r(jià)比和低功耗?！疌6000系列中又分成定點(diǎn)和浮點(diǎn)兩類(lèi)。 

　?。?）’C62XX 16位定點(diǎn)DSP，速度為1200～2000MIPS，用于無(wú)線(xiàn)基站、ADSL Modem、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、中心局交換機(jī)、數(shù)字音頻廣播設(shè)備等，價(jià)格為21～224美元。 

　　（2）’C67XX 32位浮點(diǎn)DSP，速度為1Gflops，用于基站數(shù)字波束形成、醫(yī)學(xué)圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別、3-D圖形等，價(jià)格109～233美元。 

　　C6000在向兩個(gè)方向發(fā)展，一是追求更高的性能，二是在保持高性能的同時(shí)向廉價(jià)型發(fā)展。前者如定點(diǎn)’C6202可以達(dá)到2000MIPS的速度，后者如定點(diǎn)’C6211只有25美元、浮點(diǎn)的’C6711僅售20美元。 

　　在老的TI DSP系列中，浮點(diǎn)’C30還是TI公司主推的產(chǎn)品，因此它的售價(jià)不像其它老系列每年都要提升。TI公司還在對(duì)這個(gè)型號(hào)作性能改進(jìn)和制造廉價(jià)型，如新近推出的’C33采用0.18μm制造工藝，有1M RAM，速度為120Mflops，為老產(chǎn)品的兩倍，而價(jià)格僅5美元。速度更高的150Mflops為8美元?！疌33與其它’C3X器件代碼兼容，所以用戶(hù)可以保護(hù)其軟件環(huán)境，在他們換用新器件時(shí)還可以減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。 

　　DSP為電子業(yè)創(chuàng)造新的機(jī)遇 

　　上面所介紹的TI公司的新一代DSP已經(jīng)替代80年代和90年代初的老一代產(chǎn)品，在電子信息產(chǎn)業(yè)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。’C2000系列已用于數(shù)字馬達(dá)控制、數(shù)字照相機(jī)、PC照相機(jī)；’C5000系列用于蜂窩網(wǎng)手機(jī)、程控交換；’C6000系列用于基站、ADSL、V.90 56K Modem。 

　　有數(shù)百家直接依靠TI的DSP而成立的公司，稱(chēng)為T(mén)I的第三方（Their Party），它們有做DSP開(kāi)發(fā)工具的，有從事DSP硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，有從事DSP應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的。這些公司基本上是80年代末，90年代初才創(chuàng)建的，開(kāi)始時(shí)往往只有幾個(gè)人，經(jīng)過(guò)5年、10年現(xiàn)在均發(fā)展到具有相當(dāng)規(guī)模。如D2 Technologies、DSP Research、DSP Tools、Dialogic、GD DSP、HotHaus、Micro LAB Systems、PenTek、Seed、Spectrum Digital、Spectrum Signal Processing、White Mountain DSP等公司，在DSP開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用軟件、DSP平臺(tái)方面都很有成就。 

　　相對(duì)國(guó)外DSP的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和第三方公司的情況，我國(guó)國(guó)內(nèi)差距相當(dāng)大，知道使用DSP的單位不多，這些單位中大多數(shù)還在使用’C25，’C5X。DSP工具開(kāi)發(fā)已經(jīng)起步，但也只有聞亭和合眾達(dá)兩家，而專(zhuān)門(mén)從事DSP硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的單位和公司還沒(méi)有，“第三方”在中國(guó)基本上是空白。 

　　上海交通大學(xué)在1997年初與TI公司聯(lián)合成立了DSP技術(shù)中心，除在本科生和研究生中進(jìn)行新一代DSP的教學(xué)外，還盡一切努力開(kāi)展DSP的應(yīng)用研究，研究的目標(biāo)完全放在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)方面。我們（指上海交大，以下皆同）組成了一支包括教師、研究生在內(nèi)的三十余人的DSP應(yīng)用R&D隊(duì)伍，配備有TI公司提供的最新DSP開(kāi)發(fā)工具和齊全的資料，并獲得上海市科委的支持，設(shè)立了上海數(shù)字技術(shù)中心。 

目前我們已經(jīng)和正在進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目主要分成以下三類(lèi)： 

　　1. 語(yǔ)音編碼及其相關(guān)產(chǎn)品 在所有的通信系統(tǒng)中，語(yǔ)音通信仍然是最基本的通信方式，也是應(yīng)用最普遍的。ITU制訂了許多語(yǔ)音壓縮標(biāo)準(zhǔn)，我們已經(jīng)做出來(lái)的有用’C542實(shí)現(xiàn)的G.728、G.723、GSM06.10，正在進(jìn)行的有G.722、G.726、G.729、FS1016等。 

　　在此基礎(chǔ)上正在研制多通道電話(huà)記錄儀。用自制的’C542電話(huà)壓縮卡，將一張電話(huà)卡的數(shù)碼率從64kbps降到13kbps，語(yǔ)音質(zhì)量MOS（平均判分）為3.7，而國(guó)內(nèi)使用最普遍的語(yǔ)音卡采用ADPCM算法，32kbps時(shí)才有相同的音質(zhì)，號(hào)稱(chēng)能用到16kbps，但音質(zhì)僅為2分。我們每張卡可同時(shí)壓縮8路電話(huà)，一臺(tái)PC機(jī)可插4張卡，同時(shí)壓縮32路電話(huà)。 

　　另一個(gè)正在開(kāi)發(fā)的是數(shù)字電話(huà)擴(kuò)容系統(tǒng)（DCME），采用’C6201DSP和ITU-G.728語(yǔ)音壓縮算法、將E1的每路64kbps電話(huà)壓縮到16kbps，壓縮4倍，這樣可將30路的E1擴(kuò)容至120路的  
E2系統(tǒng)。 

　　2. Hi-Fi音頻壓縮及相關(guān)產(chǎn)品 最近幾年VCD、DVD、MD、DAB、DVB等數(shù)字音視頻產(chǎn)品萬(wàn)紫千紅，在這些數(shù)字化新家電中，DSP最起作用的地方是Hi-Fi的音頻處理，我們已對(duì)MPEG音頻Layer2、Layer3、MPEG-2 AAC、Dolby AC-3等用C語(yǔ)言仿真研究，在此基礎(chǔ)上用’C549實(shí)現(xiàn)了MP3解碼器的初樣。正在用’C6201和’C6701分別實(shí)現(xiàn)MP3編碼器和MPEG-2 AAC編解碼器。MPEG-2 AAC重建的音質(zhì)超過(guò)MP3和AC-3將成為21世紀(jì)直播衛(wèi)星、地面DAB和SW、MW、AM廣播數(shù)字化的首選標(biāo)準(zhǔn)。 

　　3. 圖象壓縮及相關(guān)產(chǎn)品 完成用’C542實(shí)現(xiàn)的脫機(jī)的便攜式彩色靜止圖像傳輸系統(tǒng)，分辨率有576