什么是DSP芯片

什么是DSP芯片
DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結構的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP 指令，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點：
（1） 在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。
（2） 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。
（3） 片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。
（4） 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。
（5） 快速的中斷處理和硬件I/O支持。
（6） 具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。
（7） 可以并行執(zhí)行多個操作。
（8） 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。
與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。
4．2 DSP芯片的發(fā)展
世界上第一個單片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美國Iintel公司發(fā)布的商用可編程期間2920是DSP芯片的一個主要里程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須的單周期芯片。 1980年。日本NEC公司推出的μPD7720是第一個具有乘法器的商用DSP 芯片。第一個采用CMOS工藝生產(chǎn)浮點DSP芯片的是日本的Hitachi 公司，它于1982年推出了浮點DSP芯片。1983年，日本的Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期為120ns ，且具有雙內(nèi)部總線，從而處理的吞吐量發(fā)生了一個大的飛躍。而第一個高性能的浮點DSP芯片應是ATT公司于1984年推出的DSP32。
在這么多的DSP芯片種類中，最成功的是美國德克薩斯儀器公司（Texas Instruments，
簡稱TI）的一系列產(chǎn)品。TI公司災982年成功推出啟迪一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS32C40/C44，第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多個DSP于一體的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。
自1980年以來，DSP芯片得到了突飛猛進的發(fā)展，DSP芯片的應用越來越廣泛。從運算速度來看，MAC（一次乘法和一次加法）時間已經(jīng)從80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），處理能力提高了10多倍。DSP芯片內(nèi)部關鍵的乘法器部件從1980年的占模區(qū)的40左右下降到5以下，片內(nèi)RAM增加一個數(shù)量級以上。從制造工藝來看，1980年采用4μ的N溝道MOS工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米CMOS工藝。DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的最多64個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結構靈活性的增加。此外，DSP芯片的發(fā)展，是DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。
4．3 DSP芯片的分類
DSP的芯片可以按照以下的三種方式進行分類。
1. 按基礎特性分
這是根據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。如果DSP芯片在某時鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上能正常工作，除計算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱之為靜態(tài)DSP芯片。
如果有兩種或兩種以上的DSP芯片,它們的指令集和相應的機器代碼機管腳結構相互兼容,則這類DSP芯片稱之為一致性的DSP芯片。
2. 按數(shù)據(jù)格式分
這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。數(shù)據(jù)以定點格式工作的DSP芯片稱之為定點DSP芯片。以浮點格式工作的稱為DSP芯片。不同的浮點DSP芯片所采用的浮點格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標準浮點格式。

3. 按用途分
按照DSP芯片的用途來分，可分為通用型DSP芯片和專用型的DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應用，如TI公司的一系列DSP芯片。專用型DSP芯片市為特定的DSP運算而設計，更適合特殊的運算，如數(shù)字濾波，卷積和FFT等。
4．4 DSP芯片的選擇
設計DSP應用系統(tǒng)，選擇DSP芯片時非常重要的一個環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片才能進一步設計外圍電路集系統(tǒng)的其它電路?？偟膩碚f，DSP芯片的選擇應根據(jù)實際的應用系統(tǒng)需要而確定。一般來說，選擇DSP芯片時考慮如下諸多因素。
1． DSP芯片的運算速度。運算速度是DSP芯片的一個最重要的性能指標，也是選擇DSP芯片時所需要考慮的一個主要因素。DSP芯片的運算速度可以用以下幾種性能指標來衡量：

（1） 指令周期。就是執(zhí)行一條指令所需要的時間，通常以ns為單位。
（2） MAC時間。即一次乘法加上一次加法的時間。
（3） FFT執(zhí)行時間。即運行一個N點FFT程序所需的時間。
（4） MIPS。即每秒執(zhí)行百萬條指令。
（5） MOPS。即每秒執(zhí)行百萬次操作。
（6） MFLOPS。即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作。
（7） BOPS。即每秒執(zhí)行十億次操作。
2． DSP芯片的價格。根據(jù)一個價格實際的應用情況，確定一個價格適中的DSP芯片。
3． DSP芯片的硬件資源。
4． DSP芯片的運算速度。
5． DSP芯片的開發(fā)工具。
6． DSP 芯片的功耗。
7． 其它的因素，如封裝的形式、質(zhì)量標準、生命周期等。
DSP應用系統(tǒng)的運算量是確定選用處理能力多大的DSP芯片的基礎。那么如何確定DSP系統(tǒng)的運算量以選擇DSP芯片呢？
1． 按樣點處理
按樣點處理就是DSP算法對每一個輸入樣點循環(huán)一次。例如；一個采用LMS算法的256抽頭德的自適應FIR濾波器，假定每個抽頭的計算需要3個MAC周期，則256抽頭計算需要256*3=768個MAC周期。如果采樣頻率為8KHz，即樣點之間的間隔為125μs的時間，DSP芯片的MAC周期為200μs，則768個周期需要153.6μs的時間，顯然無法實時處理，需要選用速度更快的芯片。
2． 按幀處理
有些數(shù)字信號處理算法不是每個輸入樣點循環(huán)一次，而是每隔一定的時間間隔（通常稱為幀）循環(huán)一次。所以選擇DSP芯片應該比較一幀內(nèi)DSP芯片的處理能力和DSP算法的運算量。假設DSP芯片的指令周期為P（ns），一幀的時間為Sτ（ns），則該DSP芯片在一幀內(nèi)所提供的最大運算量為Sτ/ P 條指令。
4．5 DSP芯片的基本結構
DSP芯片的基本結構包括：
（1）哈佛結構；
（2）流水線操作；
（3）專用的硬件乘法器；
（4）特殊的DSP指令；
（5）快速的指令周期。
哈佛結構
哈佛結構的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)中設置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。由于程序和存儲器在兩個分開的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。
流水線與哈佛結構相關，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時間，從而增強了處理器的處理能力。處理器可以并行處理二到四條指令，每條指令處于流水線的不同階段。入圖示出一個三級流水線操作的例子。
CLLOUT1
取指 N N-1 N-2
譯碼 N-1 N N-2
執(zhí)行 N-2 N-1 N
圖4-1 三級流水線操作
專用的硬件乘法器
乘法速度越快，DSP處理器的性能越高。由于具有專用的應用乘法器，乘法可在一個指令周期內(nèi)完成。
特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。
快速的指令周期哈佛結構、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設計可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。
4．6 DSP系統(tǒng)的特點
數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎，因此具有數(shù)字處理的全部特點：
（1） 接口方便。DSP系統(tǒng)與其它以現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容，這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易的多。
（2） 編程方便。DSP系統(tǒng)種的可編程DSP芯片可使設計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進行修改和升級。
（3） 穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高。
（4） 精度高。16位數(shù)字系統(tǒng)可以達到的精度。
（5） 可重復性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試，調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。
（6） 集成方便。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。
4．7 DSP芯片的應用自從DSP芯片誕生以來，DSP芯片得到了飛速的發(fā)展。DSP芯片高速發(fā)展，一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場。在短短的十多年時間，DSP芯片已經(jīng)在信號處理、通信、雷達等許多領域得到廣泛的應用。目前，DSP芯片的價格也越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應用潛力。DSP芯片的應用主要有：
（1） 信號處理--如，數(shù)字濾波、自適應濾波、快速傅里葉變換、相關運算、頻譜分析、卷積等。
（2） 通信--如，調(diào)制解調(diào)器、自適應均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回坡抵消、多路復用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼、波形產(chǎn)生等。
（3） 語音--如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人辨認、說話人確認、語音郵件、語音儲存等。
（4） 圖像/圖形--如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動畫、機器人視覺等。
（5） 軍事--如保密通信、雷達處理、聲納處理、導航等。
（6） 儀器儀表--如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等。
（7） 自動控制--如引擎控制、深空、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制。
（8） 醫(yī)療--如助聽、超聲設備、診斷工具、病人監(jiān)護等。
（9） 家用電器--如高保真音響、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲、數(shù)字電話/電視等