信號(hào)處理器（DSP）,信號(hào)處理器（DSP）是什么意思

信號(hào)處理器（DSP）,信號(hào)處理器（DSP）是什么意思

DSP是(digital signal processor)的簡(jiǎn)稱，是一種專門用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理算法的微處理器芯片。根據(jù)使用方法的不同，DSP可以分為專用DSP和可編程DSP,專用DSP只能用來(lái)實(shí)現(xiàn)某種特定的數(shù)字信號(hào)處理功能，如數(shù)字濾波、FFT等。專用DSP不需編程，使用方便，處理速度快，但是靈活性差?？删幊藾SP則像GPP(General Purpose Processor,如Pentium)一樣有完整的指令系統(tǒng)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)各種功能。

DSP的發(fā)展

DSP的發(fā)展歷史大致可以分成四個(gè)階段：萌芽階段、成長(zhǎng)階段、成熟階段、突破階段。

萌芽階段：1982年以前

在這段時(shí)期里為解決Von Neumann結(jié)構(gòu)在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)總線和存儲(chǔ)器之間的瓶頸效應(yīng)，許多公司投入大量人力和物力開(kāi)展了很多探索性的工作，研制出了一些DSP的雛形，如AMI的S2811、Intel的2920、AT＆T的DSP-1和NEC的uPD7720。但這些產(chǎn)品的運(yùn)算速度都太慢，而且開(kāi)發(fā)工具嚴(yán)重不足，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的開(kāi)發(fā)工作，還不能稱作真正意義上的DSP。第一片DSP是1982年TI公司出品的TMS320C10，它是—個(gè)16位的定點(diǎn)DSP，采用了哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，有一個(gè)乘加器和一個(gè)累加器。TMS320C10完成—次乘加操作需要390ns，即在一秒鐘的時(shí)間內(nèi)可以完成250萬(wàn)次左右的乘加運(yùn)算?；蛟S正是因?yàn)樯a(chǎn)出了第一個(gè)DSP，TI公司在此后的三十幾年中一直是DSP界的領(lǐng)軍人物。

成長(zhǎng)階段：1982-1987年

這段時(shí)間內(nèi)各公司相繼研制出了自己的DDSP并不斷地改進(jìn)。如1985年，TI推出了TMS320C20，它具備單指令循環(huán)的硬件支持，尋址空間達(dá)到64K字，有專門的地址寄存器，一次乘加運(yùn)算只需耗時(shí)200ns。1987年，Motorola公司推山了DSP56001，采用24位的數(shù)據(jù)和指令，有專門的地址寄存器，可以循環(huán)尋址，累加器有保護(hù)位，一坎乘加運(yùn)算只需耗時(shí)75ns。此外，在這段時(shí)期中還有一些代表產(chǎn)品，如AT＆T的DSPl6A、AD的ADSP-2100，TI的TMS320C50。

成熟階段：1987-1997年

在這個(gè)階段里各公司不斷借鑒相互的優(yōu)點(diǎn)，并完善自身的設(shè)計(jì)，推出了特點(diǎn)分明的產(chǎn)品，如TI的TMS320C54系列、AD的ADSP2100系列、Lucent(前身為AT＆T)的DSPl600系列和Motorola的DSP56000系列。它們?cè)?a target="_blank">供電上都支持3.3v，片上的存儲(chǔ)器也較大，都有JTAG模塊支持用戶在線調(diào)試。另外，TI等公司還專門提供DSP的內(nèi)核，為一些專用集成電路(ASIC)的開(kāi)發(fā)提供了空間。此外，在成熟階段還首次出現(xiàn)了多處理核的DSP，如TI的TMS320C80和Motorola的MC68356等，雖然它們的推出在商業(yè)上并不算成功，但卻指明了一個(gè)有潛力的發(fā)展方向。

突破階段：1997年直至現(xiàn)在

這段時(shí)間里DSP的發(fā)展非常迅速，各公司相繼建立了自己從定點(diǎn)到浮點(diǎn)，從低端到高端，從通用到專用完整的產(chǎn)品系列，并且在DSP設(shè)計(jì)上有了大的飛躍，推出了一些性能突出的產(chǎn)品。很多公司相繼采用先進(jìn)技術(shù)研制了計(jì)算性能很高的DSP，如AD的SHARC系列、TI的TMS320C6000系列、Motorola和Agere(前身為L(zhǎng)ucent微電子)的StarPro等，每秒鐘可以完成1G條以上的指令，計(jì)算速度驚人。TI公司還研制出功耗最小的DSP TMS320C55系列，為便攜式設(shè)備提供了一個(gè)明智的選擇。

回顧DSP發(fā)展的二十幾年，也正是電子、信息和微電于技術(shù)快速發(fā)展的二十年，正是后者為DSP提供了必要的技術(shù)支持和應(yīng)用的廣闊空間，使得DSP及其相關(guān)的技術(shù)日益受到人們的重視。

DSP的應(yīng)用

DSP的產(chǎn)生主要是為了滿足通信、雷達(dá)、數(shù)字電視等領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的需要。典型的數(shù)字信號(hào)處理算法包括數(shù)字濾波、FFT等。這些算法的共同特點(diǎn)是要進(jìn)行密集的數(shù)學(xué)計(jì)算，因此DSP在體系結(jié)構(gòu)上采取了一系列措施，使之在數(shù)學(xué)計(jì)算方面具有特別突出的性能；而在其它方面，例如文字處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等則不如GPP。除了密集的數(shù)學(xué)計(jì)算之外，DSP應(yīng)用的另一個(gè)突出特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性。在許多應(yīng)用領(lǐng)域，如通信中的調(diào)制、解調(diào)、雷達(dá)中信號(hào)檢測(cè)等等，數(shù)據(jù)是以幀為單位更新的，每她的長(zhǎng)度一般為微秒到毫秒量級(jí)，DSP必須在這段時(shí)間之內(nèi)完成處理并輸出結(jié)果，這就是所謂實(shí)時(shí)處理。顯然，實(shí)時(shí)處理要求處理器具有極高的處理速度，能夠?qū)ν獠渴录杆僮龀龇磻?yīng)(能夠及時(shí)迅速地響應(yīng)中斷)，并且具有強(qiáng)大的IO吞吐能力。 DSP的應(yīng)用范圍非常廣泛，在下表中大致歸納出一些。

面對(duì)DSP巨大的市場(chǎng)和廣闊的發(fā)展前景，世界上最大的幾個(gè)半導(dǎo)體公司都對(duì)此投入巨資、開(kāi)展競(jìng)爭(zhēng)。如TI、AD、Agere、Motorola、Siemens、Semiconductor等公司都在全力開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)DSP器件，不同公司DSP的側(cè)重點(diǎn)都有所不同。

DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.MAC指令，硬件乘法器和累加器。

2.存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

GPP一般采用Von Neumann結(jié)構(gòu)，如圖所示，系統(tǒng)只有一套總線(包括數(shù)據(jù)總線和地址總線)和單一存儲(chǔ)器，無(wú)論是數(shù)據(jù)還是指令都要經(jīng)過(guò)同樣的數(shù)據(jù)通道進(jìn)入處理器內(nèi)核。

哈佛結(jié)構(gòu)將指令存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分離開(kāi)，各自擁有獨(dú)立的總線，這就使取指令和訪問(wèn)數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行，從而緩解了存儲(chǔ)器的瓶頸效應(yīng)。

3.尋址方式。在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，處理器往往要同時(shí)維護(hù)多個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，而且每個(gè)緩沖區(qū)的指針都要頻繁移動(dòng)。 GPP雖然有基址和變址寄存器，但是這些寄存器不能自動(dòng)更新；而且數(shù)量也有限，每個(gè)寄存器往往要管理多個(gè)緩沖區(qū)。DSP用特殊的硬件來(lái)尋址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，有大量寄存器可以用作數(shù)據(jù)指針(如ADSP21060有16個(gè))，指針的更新可以和其他操作并行執(zhí)行，所以不占用處理時(shí)間。DSP還支持一些特殊的尋址方式，如用來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)形緩沖區(qū)的環(huán)形尋址，實(shí)現(xiàn)FFT變換所必需的逆序?qū)ぶ返取?

4.零耗循環(huán)(zero overhead loop)

GPP每執(zhí)行一次循環(huán)都要用軟件判斷循環(huán)結(jié)束條件是否滿足，更新循環(huán)計(jì)數(shù)器，還要進(jìn)行條件轉(zhuǎn)移。這些例行操作要消耗幾個(gè)周期的時(shí)間，這種消耗對(duì)于短循環(huán)是相當(dāng)可觀的。與GPP不同，DSP可以用硬件實(shí)現(xiàn)更新計(jì)數(shù)器等例行操作，不用額外消耗任何時(shí)間，所以是一種零耗循環(huán)。由于數(shù)字信號(hào)處理程序百分之九十的執(zhí)行時(shí)間是在循環(huán)中度過(guò)，所以零耗循環(huán)對(duì)提高程序效率是非常重要的。

5. 程序執(zhí)行時(shí)間可預(yù)測(cè)

實(shí)時(shí)處理不僅要求處理器必須具有極高的計(jì)算速度，而且還要求程序的執(zhí)行時(shí)間要容易預(yù)測(cè)，否則開(kāi)發(fā)人員無(wú)法判斷自己的系統(tǒng)是否滿足實(shí)時(shí)要求。高性能GPP普遍采用了CACHE和動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù)，這些動(dòng)態(tài)特性雖然能夠從統(tǒng)計(jì)角度提高處理速度，但也使處時(shí)間很難精確預(yù)測(cè)，因?yàn)楫?dāng)前指令的執(zhí)行時(shí)間要受到程序運(yùn)行的歷史過(guò)程的影響。盡管從理論上說(shuō)，程序員可以推測(cè)出最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間，但是由于各種動(dòng)態(tài)特性的相互影響，最壞執(zhí)行時(shí)間可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)程序的典型執(zhí)行時(shí)間，這將導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，嚴(yán)重浪費(fèi)資源。與GPP不同，DSP的動(dòng)態(tài)特性較少，而且還通過(guò)設(shè)置MAX(求最大值)、MIN(求最小值)、CLIP時(shí)，DSP生產(chǎn)商還提供了能夠精確模擬每—條指令執(zhí)行狀態(tài)的軟件仿真器Simulator。使設(shè)計(jì)人員在硬件系統(tǒng)完成之前就能夠調(diào)試程序并驗(yàn)證處理時(shí)間。值得注意的是，TI的最新產(chǎn)品TMS320C6011設(shè)置了可選擇的兩級(jí)CACHE，而AD將要推出的TigerrSHARC采用了動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù)。這是否意味著DSP正在喪失程序執(zhí)行時(shí)間可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，或者正在猴備采取其他措施(如提供工具軟件)來(lái)彌補(bǔ)因芯片結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜對(duì)預(yù)測(cè)時(shí)間造成的不利影響，我們將拭目以待。

6.外圍設(shè)備

GPP硬件系統(tǒng)(如PC機(jī))的開(kāi)發(fā)一般由專業(yè)公司承擔(dān)，用戶只從事軟件開(kāi)發(fā)。而DSP工程師往往要自己設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)，而且許多DSP應(yīng)用系統(tǒng)特別是嵌入式系統(tǒng)對(duì)體積、功耗有嚴(yán)格的限制，所以DSP必須具備開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。多數(shù)DSP支持IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以通過(guò)JTAG端口對(duì)DSP進(jìn)行在線實(shí)時(shí)仿真。另外DSP體現(xiàn)了片上系統(tǒng)(System on chip)的設(shè)計(jì)思想，在片上集成了DMA、中斷控制、串行通信口、上位機(jī)接口、定時(shí)器等外圍設(shè)備，有的DSP還包含AD和DA轉(zhuǎn)換器。所以用戶通常只需要外加很少的器件就可以構(gòu)成自己的DSP系統(tǒng)。

DSP的組成（以ADSP-21xx為例）

DSP芯片能夠以很高的速度實(shí)現(xiàn)各種DSP算法，在其內(nèi)部包括以下功能單元。

計(jì)算單元——每個(gè)處理器包括3個(gè)獨(dú)立的、功能完備的計(jì)算單元：算術(shù)／邏輯單元(ALU)、乘法/累加器(MAC)和桶狀移位器。

計(jì)算單元直接處理16位數(shù)據(jù)并對(duì)多精度計(jì)算提供硬件支持。

數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器和程序控制器——兩個(gè)專用的地址產(chǎn)生器和—個(gè)程序控制器提供對(duì)片內(nèi)、片外存儲(chǔ)器的尋址。程序掉制器支持單周期的條件分支和無(wú)開(kāi)銷循環(huán)。雙數(shù)據(jù)地址生器使處理器能同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)操作數(shù)的地址。數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器和程序控制器使計(jì)算單元保持連續(xù)工作狀態(tài)，使流量達(dá)到最大化。

存儲(chǔ)器——采用修改的哈佛結(jié)構(gòu)，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放數(shù)據(jù)，程序存儲(chǔ)器既可存放指令又可存放數(shù)據(jù)。所有的處理器都有片內(nèi)RAM，該片內(nèi)RAM構(gòu)成程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的一部分。片內(nèi)存儲(chǔ)器的速度很高，處理器可以在一個(gè)周期讀取兩個(gè)操作數(shù)(一個(gè)來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另一個(gè)來(lái)自程序存儲(chǔ)器)和一條指令(來(lái)自程序存儲(chǔ)器)。

串口——串口(SPORT)提供帶有硬件數(shù)據(jù)壓擴(kuò)部件的完整的串行接口。支持按μ律和A律壓縮的擴(kuò)展。SPORT可以容易地和多種流行的串行設(shè)備直接接口。每個(gè)SPORT能產(chǎn)生一個(gè)可編程的內(nèi)部時(shí)鐘或接收—個(gè)外部時(shí)鐘。SPORT有多通道選項(xiàng)。

定時(shí)器一一一個(gè)帶有8位預(yù)分頻器的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可產(chǎn)生周期性的中斷。

主機(jī)接口——主機(jī)接口(HIP)有16根數(shù)據(jù)引腳和11根控制引腳，可以和主機(jī)處理器直接連接，無(wú)須連接邏輯。HIP非常靈活，易于和各種主機(jī)處理器接口。如：Motorola 6800、Intel8051或其他ADSP-21xx系列處理器可以容易地接到HIP上。

DMA接口——內(nèi)部DMA接口(IDMA)和字節(jié)DMA接口(BDMA)可對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳送。IDMA接口具有16位多路復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)總線，支持24位寬的程序存儲(chǔ)器。IDMA接口是完全異步的，在DSP全速運(yùn)行時(shí)，可以寫入數(shù)據(jù)。字節(jié)DMA接口允許引導(dǎo)裝載并且存儲(chǔ)程序指令和數(shù)據(jù)。

模擬接口——DSP片內(nèi)集成了模擬和數(shù)字信號(hào)混合處理電路。該電路由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模擬和數(shù)字濾波器、處理器核的并行接口等組成。轉(zhuǎn)換器采用Σ-Δ技術(shù)獲取樣本。