DSP是什么

Digital Signal Processing 數(shù)字信號處理

 
 
 作為一個案例研究，我們來考慮數(shù)字領(lǐng)域里最通常的功能：濾波。簡單地說，濾波就是對信號進行處理，以改善其特性。例如，濾波可以從信號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信號做濾波呢？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)進行復(fù)制，因為其性能并不取決于性能已偏離正常值的器件的組合。 
一個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。使用微處理器來實現(xiàn)數(shù)字濾波器，就可以通過對其重新編程來改變?yōu)V波的特性。

  
                               信號處理方式的比較
 
比較因素          模擬方式                             數(shù)字方式
 
修改設(shè)計的靈活性  修改硬件設(shè)計，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)和計算機字長，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、功耗小、

                種較少、集成度不高、價格較高         一致性好、使用方便、性能/價格比高 
   
 
實時性          除開電路引入的延時外，處理是實時的    由計算機的處理速度決定
 
高頻信號的處理  可以處理包括微波毫米波乃至光波信號    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)雜指令計算機, RISC 精簡指令計算機 
采取各種方法提高計算速度，提高時鐘頻率，高速總線，多級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，還有存儲器（RAM/ROM）寄存器，時鐘，計數(shù)器，定時器，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 
采用一系列措施保證數(shù)字信號的處理速度，如對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

 
 
 考慮一個數(shù)字信號處理的實例，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積。取一個輸入量和一個序數(shù)向量，在系數(shù)和輸入樣本的滑動窗口間作乘法，然后將所有的乘積加起來，形成一個輸出樣本。

類似的運算在數(shù)字信號處理過程中大量地重復(fù)發(fā)生，使得為此設(shè)計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 對密集的乘法運算的支持

GPP不是設(shè)計來做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現(xiàn)代的GPP，也要求多個指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來實現(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，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 存儲器結(jié)構(gòu)

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

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

還有一個問題，即現(xiàn)在典型的高性能GPP實際上已包含兩個片內(nèi)高速緩存，一個是數(shù)據(jù)，一個是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運行時的訪問速度。從物理上說，這種片內(nèi)的雙存儲器和總線的結(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使用多個片內(nèi)存儲器和多組總線來保證每個指令周期內(nèi)存儲器的多次訪問。在使用DSP時，程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲在片內(nèi)存儲器中。程序員在寫程序時，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。這是因為DSP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流。也就是說，DSP處理器對每個數(shù)據(jù)樣本做計算后，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算法的一個共同的特點，即大多數(shù)的處理時間是花在執(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，不用花時間去檢查循環(huán)計數(shù)器的值、條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計數(shù)器減1。

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

4 定點計算

大多數(shù)DSP使用定點計算，而不是使用浮點。雖然DSP的應(yīng)用必須十分注意數(shù)字的精確，用浮點來做應(yīng)該容易的多，但是對DSP來說，廉價也是非常重要的。定點機器比起相應(yīng)的浮點機器來要便宜（而且更快）。為了不使用浮點機器而又保證數(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，它們對通常的信號處理操作和算法是很有用的。例如，模塊（循環(huán)）尋址（對實現(xiàn)數(shù)字濾波器延時線很有用）、位倒序?qū)ぶ罚▽FT很有用）。這些非常專門的尋址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟件來實現(xiàn)。

6 執(zhí)行時間的預(yù)測

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)格的實時應(yīng)用，所有的處理必須在指定的時間內(nèi)完成。這就要求程序員準(zhǔn)確地確定每個樣本需要多少處理時間，或者，至少要知道，在最壞的情況下，需要多少時間。

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

這時候，DSP對高性能GPP的優(yōu)勢在于，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會放進去也是由程序員（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器中讀取。DSP一般不使用動態(tài)特性，如轉(zhuǎn)移預(yù)測和推理執(zhí)行等。因此，由一段給定的代碼來預(yù)測所要求的執(zhí)行時間是完全直截了當(dāng)?shù)?。從而使程序員得以確定芯片的性能限制。

7 定點DSP指令集

定點DSP指令集是按兩個目標(biāo)來設(shè)計的：