數(shù)字信號(hào)控制器的新發(fā)展分析

數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）已開(kāi)始在處理許多以往需由微控制器（MCU）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）共同完成的復(fù)雜問(wèn)題上嶄露頭角。作為這兩種器件的一種混合，DSC隨時(shí)準(zhǔn)備加入它們的行列（見(jiàn)圖1）并將與其共存。
　　DSP作為一種專(zhuān)用微處理器（MPU），可以盡可能快的速度來(lái)執(zhí)行少量非常特定的指令和操作。實(shí)現(xiàn)該功能的傳統(tǒng)方法是采用硬件模擬濾波器（而不是基于軟件的數(shù)字技術(shù)）。信號(hào)處理能力的一個(gè)主要方面就是實(shí)時(shí)性能。
　　由于要求處理的輸入信號(hào)是用于諸如電話、電視、多媒體系統(tǒng)和CD播放機(jī)等用途的，因此必須在沒(méi)有任何延遲的情況下對(duì)其進(jìn)行快速處理。如果DSP不能以足夠快的速度進(jìn)行信號(hào)處理，那么這些應(yīng)用將失去實(shí)際意義。
　　當(dāng)初開(kāi)發(fā)MCU的目的是以犧牲某些性能為代價(jià)，利用可編程性來(lái)提供大量的靈活性。所有可由DSP完成的操作均可由MCU（或MPU，它與MCU是同類(lèi)器件，只是少了集成的片上外圍元件）來(lái)完成。不同之處在于MCU的信號(hào)處理操作速度較慢，但它可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行許多其他類(lèi)型的處理。因此，采用MCU的應(yīng)用一般都有一個(gè)可能需要執(zhí)行若干不同類(lèi)型的任務(wù)（而不是那種DSP算法標(biāo)志性的重復(fù)性數(shù)字搗弄）的控制電路。
　　MCU被優(yōu)選用于完成一系列對(duì)來(lái)自各種信源的輸入數(shù)據(jù)的幾乎所有組合的邏輯、診斷和算術(shù)運(yùn)算，而DSP則在完成重復(fù)性的數(shù)字密集型任務(wù)方面具有很高的效率。
　　典型的DSP運(yùn)算
　　DSP所能高效執(zhí)行的重復(fù)性數(shù)字搗弄運(yùn)算主要是加法、乘法、延遲和陣列處理。圖2 示出了用于圖形和音頻處理的最常見(jiàn)的DSP運(yùn)算之一 —— 一種簡(jiǎn)單的有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器。
　　
　　圖1：數(shù)字信號(hào)控制器是微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器的一種結(jié)合
　　對(duì)取自不同位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行乘法和加法運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)在一個(gè)臨時(shí)結(jié)果寄存器中。由于數(shù)據(jù)代表的是一個(gè)連續(xù)的信號(hào)流（如同一個(gè)模擬波形），因此被存儲(chǔ)在連續(xù)的存儲(chǔ)單元中。利用允許寄存器內(nèi)容（用于指出操作數(shù)）自動(dòng)增加的尋址方式可對(duì)通常與這些數(shù)據(jù)一道使用的連續(xù)地址進(jìn)行高效處理。
　　通用DSP結(jié)構(gòu)被優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)這些簡(jiǎn)單操作的快速執(zhí)行，在一個(gè)周期里往往能夠執(zhí)行若干乘法和加法（MAC）運(yùn)算。
　　
　　圖2：FIR濾波器是用于圖形和音頻處理的一種最常見(jiàn)的DSP運(yùn)算
　　DSP和MCU的性能
　　DSP和MCU的某些性能一直被認(rèn)為是它們所特有的，DSC則將它們統(tǒng)統(tǒng)納入其混合結(jié)構(gòu)中。這些特有性能的基本說(shuō)明如下。
　　DSP的第一個(gè)基本要求就是用于執(zhí)行MAC運(yùn)算的專(zhuān)用硬件，以及累加（結(jié)果）寄存器中用于防止一系列MAC運(yùn)算的結(jié)果溢出的保護(hù)位。許多傳統(tǒng)MCU也包含MAC指令，盡管無(wú)法和頂級(jí)的專(zhuān)用DSP的并行MAC運(yùn)算能力（在一個(gè)周期里可完成許多運(yùn)算）相提并論。
　　DSP的另一個(gè)特定要求是能夠同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)存儲(chǔ)單元，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的同時(shí)獲取并極大地提高吞吐量。這種被稱(chēng)為Harvard體系的結(jié)構(gòu)要求數(shù)據(jù)和指令具有獨(dú)立的總線。雖然許多MCU仍然采用傳統(tǒng)的Von Neumann體系（用一條總線來(lái)獲取地址和數(shù)據(jù)），但不少M(fèi)CU目前已在使用Harvard體系。
　　DSP的第三個(gè)性能是可以形成地址，并在不產(chǎn)生執(zhí)行單元瓶頸的情況下獲取操作數(shù)。DSP的地址生成單元能夠在處理指令的同時(shí)獨(dú)立工作。
　　尋址方式被優(yōu)化，用于支持對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的順序存儲(chǔ)單元的訪問(wèn)。對(duì)MCU而言，這一屬性目前也已經(jīng)比較常見(jiàn)了——尋址方式（比如采用算后增量的寄存器間接尋址方式）允許MCU對(duì)編排形式與DSP相似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行訪問(wèn)。
　　DSP的第四個(gè)重要的硬件單元——桶形寄存器是用于快速處理寄存器內(nèi)容以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)縮的專(zhuān)用電路。定點(diǎn)DSP需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)縮以在浮點(diǎn)處理器上生成相同的有效動(dòng)態(tài)范圍。
　　可利用軟件對(duì)桶形寄存器的動(dòng)作進(jìn)行仿真，但這太費(fèi)時(shí)間，在實(shí)時(shí)視頻和音頻應(yīng)用中恐怕是不可行的。硬件桶形寄存器正在成為最新MCU的常見(jiàn)功能。
　　傳統(tǒng)MCU的通用性能是其與DSP屬性上最大的不同，這在它的指令集和尋址方式上均有所反映。MCU包含許多面向控制的指令、位處理指令以及可采用棧指針輕松實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理性能。專(zhuān)用棧指針和棧指針相對(duì)尋址極大地簡(jiǎn)化了編譯器的操作，并可將編譯代碼優(yōu)化至可能的最小尺寸。
　　MCU的另一項(xiàng)性能是包容了片上外圍元件。盡管新型DSP目前包含某些外圍模塊（如存儲(chǔ)器和串行通信控制器），但MCU則往往是將其周?chē)耐鈬?a href='http://wenjunhu.com/v/tag/137/' target='_blank' class='arckwlink_none'>芯片加以集成的PC板上器件。
　　從技術(shù)角度無(wú)法解釋DSP芯片為什么不能容納這些外圍元件，雖然總的說(shuō)來(lái)需要這些功能的電路在其心臟部位更有可能要求采用一個(gè)控制器（這與專(zhuān)用數(shù)字搗弄體系不同）。
　　相比DSP而言與MCU關(guān)系更為密切的最后一項(xiàng)性能是快速中斷處理能力，這在芯片上含有大量集成外圍元件時(shí)是必需的，因?yàn)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>控制系統(tǒng)將要處理更多的中斷源。
　　把MCU和DSP融合起來(lái)
　　單片DSC的優(yōu)點(diǎn)就是那些近年來(lái)推動(dòng)此類(lèi)集成化不斷發(fā)展的常見(jiàn)因素：元件總體成本的下降、電路板面積的縮小、邏輯控制的減少以及可靠性的提高。將所有這些性能匯集到一個(gè)體系中（而不是采用協(xié)同處理器的方法，即MCU加上一個(gè)板上DSP協(xié)同處理器）的好處是只需開(kāi)發(fā)一套軟件程序。
　　這大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)工作，并且削減了額外的開(kāi)銷(xiāo)（比如對(duì)MCU和DSP開(kāi)發(fā)工具以及學(xué)習(xí)曲線的需要）。控制和信號(hào)處理部分均包含于一個(gè)算法之中。
　　在過(guò)去，該功能度需要采用MCU和DSP才能實(shí)現(xiàn)——只有極少數(shù)設(shè)計(jì)人員能夠承擔(dān)得起如此奢侈的設(shè)計(jì)費(fèi)用。除了能夠降低芯片組的成本之外，只需要為一種可編程器件編寫(xiě)軟件并進(jìn)行調(diào)試則是另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。
　　Motorola 56800系列是新一代DSC的典范。該體系結(jié)構(gòu)包容了傳統(tǒng)DSP硬件以及MCU的全部要素。
　　預(yù)計(jì)DSC的出現(xiàn)將進(jìn)一步普及信號(hào)處理算法在嵌入式控制應(yīng)用中的運(yùn)用，它將使那些過(guò)去需要采用昂貴元件并耗費(fèi)較長(zhǎng)開(kāi)發(fā)期的產(chǎn)品的成本下降。
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