DSP是什么

Digital Signal Processing 數(shù)字信號(hào)處理

 
 
 作為一個(gè)案例研究，我們來考慮數(shù)字領(lǐng)域里最通常的功能：濾波。簡單地說，濾波就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，以改善其特性。例如，濾波可以從信號(hào)里清除噪聲或靜電干擾，從而改善其信噪比。為什么要用微處理器，而不是模擬器件來對(duì)信號(hào)做濾波呢？我們來看看其優(yōu)越性： 

模擬濾波器（或者更一般地說，模擬電路）的性能要取決于溫度等環(huán)境因素。而數(shù)字濾波器則基本上不受環(huán)境的影響。 
數(shù)字濾波易于在非常小的寬容度內(nèi)進(jìn)行復(fù)制，因?yàn)槠湫阅懿⒉蝗Q于性能已偏離正常值的器件的組合。 
一個(gè)模擬濾波器一旦制造出來，其特性（例如通帶頻率范圍）是不容易改變的。使用微處理器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器，就可以通過對(duì)其重新編程來改變?yōu)V波的特性。

  
                               信號(hào)處理方式的比較
 
比較因素          模擬方式                             數(shù)字方式
 
修改設(shè)計(jì)的靈活性  修改硬件設(shè)計(jì)，或調(diào)整硬件參數(shù)         改變軟件設(shè)置
 
精度              元器件精度                           A/D的位數(shù)和計(jì)算機(jī)字長，算法
 
可靠性和可重復(fù)性  受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、             不受這些因素的影響

                  電磁場(chǎng)等的干擾和影響大 
  
 
大規(guī)模集成      盡管已有一些模擬集成電路，但品        DSP器件體積小、功能強(qiáng)、功耗小、

                種較少、集成度不高、價(jià)格較高         一致性好、使用方便、性能/價(jià)格比高 
   
 
實(shí)時(shí)性          除開電路引入的延時(shí)外，處理是實(shí)時(shí)的    由計(jì)算機(jī)的處理速度決定
 
高頻信號(hào)的處理  可以處理包括微波毫米波乃至光波信號(hào)    按照奈準(zhǔn)則的要求，受S/H、A/D和處

                                                      理速度的限制
 

 
 
Digital Signal Processor 數(shù)字信號(hào)處理器

 
 
  

微處理器（Microprocessor）的分類 
  
1，通用處理器（GPP）
 
采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間合二而一 
8-bit Apple（6502），NEC PC-8000（Z80） 
8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/ Pentium III 
PowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc，DEC Alpha, HP） 
CISC 復(fù)雜指令計(jì)算機(jī), RISC 精簡指令計(jì)算機(jī) 
采取各種方法提高計(jì)算速度，提高時(shí)鐘頻率，高速總線，多級(jí)Cashe，協(xié)處理器等 
 
2，Single Chip Computer/ Micro Controller Unit（MCU）
 
除開通用CPU所具有的ALU和CU，還有存儲(chǔ)器（RAM/ROM）寄存器，時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器，定時(shí)器，串/并口，有的還有A/D，D/A 
INTEL MCS/48/51/96（98） 
MOTOROLA HCS05/011 
 
3，DSP
 
采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ) 
采用一系列措施保證數(shù)字信號(hào)的處理速度，如對(duì)FFT的專門優(yōu)化 
 

 

                                MCU與DSP的簡單比較
 
 
                            MCU                            DSP 
  
                    低檔            高檔            低檔         高檔
 
指令周期(ns)         600            40               50            5
 
乘加時(shí)間(ns)         1900           80               50            5
 
US$/MIPS             1.5            0.5             0.15          0.1
 

 
 
DSP處理器與通用處理器的比較

 
 
 考慮一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)例，比如有限沖擊響應(yīng)濾波器（FIR）。用數(shù)學(xué)語言來說，F(xiàn)IR濾波器是做一系列的點(diǎn)積。取一個(gè)輸入量和一個(gè)序數(shù)向量，在系數(shù)和輸入樣本的滑動(dòng)窗口間作乘法，然后將所有的乘積加起來，形成一個(gè)輸出樣本。

類似的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理過程中大量地重復(fù)發(fā)生，使得為此設(shè)計(jì)的器件必須提供專門的支持，促成了了DSP器件與通用處理器（GPP）的分流：

1 對(duì)密集的乘法運(yùn)算的支持

GPP不是設(shè)計(jì)來做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現(xiàn)代的GPP，也要求多個(gè)指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來實(shí)現(xiàn)單周期乘法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來處理多個(gè)乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱為結(jié)果bits的額外bits來避免溢出。
同時(shí)，為了充分體現(xiàn)專門的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。

2 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)上，GPP使用馮.諾依曼存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)存儲(chǔ)器空間通過一組總線（一個(gè)地址總線和一個(gè)數(shù)據(jù)總線）連接到處理器核。通常，做一次乘法會(huì)發(fā)生4次存儲(chǔ)器訪問，用掉至少四個(gè)指令周期。

大多數(shù)DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲(chǔ)器空間劃分成兩個(gè)，分別存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行訪問。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍，更重要的是同時(shí)為處理器核提供數(shù)據(jù)與指令。在這種布局下，DSP得以實(shí)現(xiàn)單周期的MAC指令。

還有一個(gè)問題，即現(xiàn)在典型的高性能GPP實(shí)際上已包含兩個(gè)片內(nèi)高速緩存，一個(gè)是數(shù)據(jù)，一個(gè)是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運(yùn)行時(shí)的訪問速度。從物理上說，這種片內(nèi)的雙存儲(chǔ)器和總線的結(jié)構(gòu)幾乎與哈佛結(jié)構(gòu)的一樣了。然而從邏輯上說，兩者還是有重要的區(qū)別。

GPP使用控制邏輯來決定哪些數(shù)據(jù)和指令字存儲(chǔ)在片內(nèi)的高速緩存里，其程序員并不加以指定（也可能根本不知道）。與此相反，DSP使用多個(gè)片內(nèi)存儲(chǔ)器和多組總線來保證每個(gè)指令周期內(nèi)存儲(chǔ)器的多次訪問。在使用DSP時(shí)，程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲(chǔ)在片內(nèi)存儲(chǔ)器中。程序員在寫程序時(shí)，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線。

此外，DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)高速緩存。這是因?yàn)镈SP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流。也就是說，DSP處理器對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)樣本做計(jì)算后，就丟棄了，幾乎不再重復(fù)使用。

3 零開銷循環(huán)

如果了解到DSP算法的一個(gè)共同的特點(diǎn)，即大多數(shù)的處理時(shí)間是花在執(zhí)行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件，用于零開銷循環(huán)。所謂零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時(shí)，不用花時(shí)間去檢查循環(huán)計(jì)數(shù)器的值、條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計(jì)數(shù)器減1。

與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來實(shí)現(xiàn)。某些高性能的GPP使用轉(zhuǎn)移預(yù)報(bào)硬件，幾乎達(dá)到與硬件支持的零開銷循環(huán)同樣的效果。

4 定點(diǎn)計(jì)算

大多數(shù)DSP使用定點(diǎn)計(jì)算，而不是使用浮點(diǎn)。雖然DSP的應(yīng)用必須十分注意數(shù)字的精確，用浮點(diǎn)來做應(yīng)該容易的多，但是對(duì)DSP來說，廉價(jià)也是非常重要的。定點(diǎn)機(jī)器比起相應(yīng)的浮點(diǎn)機(jī)器來要便宜（而且更快）。為了不使用浮點(diǎn)機(jī)器而又保證數(shù)字的準(zhǔn)確，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計(jì)算、舍入和移位。

5 專門的尋址方式

DSP處理器往往都支持專門的尋址模式，它們對(duì)通常的信號(hào)處理操作和算法是很有用的。例如，模塊（循環(huán)）尋址（對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器延時(shí)線很有用）、位倒序?qū)ぶ罚▽?duì)FFT很有用）。這些非常專門的尋址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟件來實(shí)現(xiàn)。

6 執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)

大多數(shù)的DSP應(yīng)用（如蜂窩電話和調(diào)制解調(diào)器）都是嚴(yán)格的實(shí)時(shí)應(yīng)用，所有的處理必須在指定的時(shí)間內(nèi)完成。這就要求程序員準(zhǔn)確地確定每個(gè)樣本需要多少處理時(shí)間，或者，至少要知道，在最壞的情況下，需要多少時(shí)間。

如果打算用低成本的GPP去完成實(shí)時(shí)信號(hào)處理的任務(wù)，執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)大概不會(huì)成為什么問題，應(yīng)為低成本GPP具有相對(duì)直接的結(jié)構(gòu)，比較容易預(yù)測(cè)執(zhí)行時(shí)間。然而，大多數(shù)實(shí)時(shí)DSP應(yīng)用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。

這時(shí)候，DSP對(duì)高性能GPP的優(yōu)勢(shì)在于，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會(huì)放進(jìn)去也是由程序員（而不是處理器）來決定的，因此很容易判斷指令是從高速緩存還是從存儲(chǔ)器中讀取。DSP一般不使用動(dòng)態(tài)特性，如轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)和推理執(zhí)行等。因此，由一段給定的代碼來預(yù)測(cè)所要求的執(zhí)行時(shí)間是完全直截了當(dāng)?shù)摹亩钩绦騿T得以確定芯片的性能限制。

7 定點(diǎn)DSP指令集

定點(diǎn)DSP指令集是按兩個(gè)目標(biāo)來設(shè)計(jì)的：