DSP芯片在圖像技術(shù)中的應(yīng)用

自1982年美國(guó)TI公司推出第一個(gè)DSP芯片TMS32010以來(lái)，DSP芯片有了很大的發(fā)展。DSP芯片不僅在運(yùn)算速度上有了很大的提高，而且在通用性和靈活性方面了極大地改進(jìn)。此外，DSP芯片的成本、體積、重量和功耗也都有了很大程度的下降。本文闡述了DSP芯片的發(fā)展、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并介紹了一個(gè)基于DSP芯片的圖像系統(tǒng)。

　　1.DSP芯片發(fā)展

　　隨著DSP芯片應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，DSP芯片已形成低、中、高三個(gè)檔次：低端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為20~50MIPS，能維持適量存儲(chǔ)和功耗，提供了較好的性能價(jià)格比，適用于儀器儀表和精密控制等;中端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為100 ~150MIPS，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有較高的處理速度和低的功耗，適用于無(wú)線(xiàn)電信設(shè)備和高速解調(diào)器等;高端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為1O00MIPS 以上，處理速度很高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化，適用于圖像技術(shù)和智能通信****等。

　　對(duì)于種類(lèi)繁多的DSP芯片，一般可按其工作的數(shù)據(jù)格式將其分為兩大類(lèi)定點(diǎn)DSP芯片和浮點(diǎn)DSP芯片。定點(diǎn)DSP品種最多，處理速度為20 ~240OMIPS;浮點(diǎn)DSP處理速度為40M ~ 1GFLOPS。

圖1 DSP芯片

　　2.DSP芯片結(jié)構(gòu)

　　DSP芯片是專(zhuān)為高速信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，由于采用了不同于普通單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，因而具有一些顯著的特點(diǎn)。

　　2.1哈佛結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)的馮諾伊曼( Von-Neumann)結(jié)構(gòu)由于具有單一公用的數(shù)據(jù)和指令總線(xiàn)，因此在高速運(yùn)算時(shí)，往往在傳輸通道上會(huì)出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。DSP芯片內(nèi)部一般采用哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，片內(nèi)至少有四套總線(xiàn)：程序的數(shù)據(jù)總線(xiàn)與地址總線(xiàn)，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)與地址總線(xiàn)。這種分離的程序總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，可允許在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)獲取指令字(來(lái)自程序存儲(chǔ)器)和操作數(shù)(來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)，從而提高了執(zhí)行速度。

　　2.2硬件乘法器

　　數(shù)字信號(hào)處理中最重要的一個(gè)基本運(yùn)算是乘法累加運(yùn)算，也是最主要和最耗時(shí)的運(yùn)算，因此單周期的硬件乘法器是 DSP芯片實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算的保證。現(xiàn)代高性能的DSP芯片甚至具有兩個(gè)以上的硬件乘法器用以提高運(yùn)算速度。數(shù)據(jù)寬度也從16位增加到32位。

　　2.3多個(gè)并行處理單元

　　DSP內(nèi)部一般都集成了多個(gè)處理單元，如硬件乘法器(MUL)、累加器(ACC)、算術(shù)邏輯單元(ALU)、輔助算術(shù)單元(ARAU)以及 DMA控制器等。它們都可以并行地在同一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行不同的任務(wù)，例如輔助算術(shù)單元能為下一次的運(yùn)算做好準(zhǔn)備，適合于完成連續(xù)的乘加運(yùn)算。芯片內(nèi)部還包括有其他總線(xiàn)，如 DMA總線(xiàn)等，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后臺(tái)傳輸而幾乎不影響主 CPU的性能的有FFT的位反轉(zhuǎn)尋址，語(yǔ)音的A律、p律算法等。

　　為了提高并行處理能力，現(xiàn)代DSP芯片通常采用單指令多數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)(SIMD)、超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)(VLIW)、超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)、多DSP核體系結(jié)構(gòu)和DSP/MCU混合結(jié)構(gòu)，這些并行處理機(jī)制大大提高了DSP芯片的性能。

　　2.4流水線(xiàn)技術(shù)

　　DSP芯片的哈佛結(jié)構(gòu)為流水線(xiàn)技術(shù)提供了方便。由于采用流水線(xiàn)技術(shù)，DSP芯片可以單周期完成乘沃累加運(yùn)算，大大提高了運(yùn)算速度。而DSP芯片的指令基本上都是單周期指令，因此單周期指令執(zhí)行時(shí)間可以作為衡量DSP芯片性能的一個(gè)主要指標(biāo)。

　　2.5片上存儲(chǔ)器

　　外部存儲(chǔ)器一般不能適應(yīng)高性能DSP核的處理速度，因此在片上設(shè)置較大的程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以減少對(duì)外部存儲(chǔ)器中程序/數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)，充分發(fā)揮DSP核的高性能。目前高性能DSP芯片上的可配置程度/數(shù)據(jù)RAM高達(dá)7MB。采用大的片子存儲(chǔ)器可以減少外部存儲(chǔ)器接口的引腳，甚至省略外部存儲(chǔ)器接口，而且也減小了芯片的封裝體積。

　　2.6多種外設(shè)和接口

　　為了加強(qiáng) DSP芯片的通用性，DSP芯片上增加了許多外設(shè)?？赡馨ǖ耐庠O(shè)有：多路DMA通道、外部主機(jī)接口、外部存儲(chǔ)器接口、芯片間高速鏈接口、外部中斷、通信串口、定時(shí)器、可編程鎖相環(huán)、A/D轉(zhuǎn)換器、JTAG接口等。

　　2.7特殊尋址模式

　　為了滿(mǎn)足FFT積等數(shù)字信號(hào)處理的特殊要求，DSP芯片大多包含專(zhuān)門(mén)的硬件地址產(chǎn)生器，用以實(shí)現(xiàn)循環(huán)尋址和位翻轉(zhuǎn)尋址，并在軟件上設(shè)置了相應(yīng)的指令。

　　2.8零消耗循環(huán)控制

　　數(shù)字信號(hào)處理的一大特點(diǎn)是大部分處理時(shí)間花在了較小循環(huán)的少量核心代碼上。大部分DSP芯片具有零消耗循環(huán)控制的專(zhuān)門(mén)硬件，可以省去循環(huán)計(jì)數(shù)器的測(cè)試指令，從而提高了代碼效率，減少了執(zhí)行時(shí)間。

　　2.9JTAG接口

　　由于DSP芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、工作速度的提高、外部引腳的增多、封裝面積減小而導(dǎo)致的引腳排列密集等原因，傳統(tǒng)的并行仿真方式已不適合于DSP芯片的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。1991年公布的JTAG接口標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)足了IC制造商和用戶(hù)的要求，1993年 JTAG接口標(biāo)準(zhǔn)修訂為5線(xiàn)接口。在片JTAG接口為 DSP芯片的測(cè)試和仿真提供了很大的便利。

　　2.10程序的加載引導(dǎo)

　　加載引導(dǎo)是指器件在上電復(fù)位后執(zhí)行一段引導(dǎo)程序，用于從端口(異步串口、I/O口、主機(jī)接口)或外部EPROM/FLASH存儲(chǔ)器中加載程序至高速RAM中運(yùn)行。一般用 EPROM/FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序，但是其訪(fǎng)問(wèn)速度較慢，而一些已有的高速EPROM/FLASH存儲(chǔ)器價(jià)格昂貴且容量有限;同時(shí)高速大容量靜態(tài)RAM價(jià)格又在不斷下降，因此這種加載方式是一個(gè)有效的性?xún)r(jià)比解決方法。

　　3.在圖像技術(shù)中的應(yīng)用

　　目前實(shí)現(xiàn)圖像處理的主要方式有四種：①基于通用PC微機(jī);②基于通用DSP芯片;③基于專(zhuān)用DSP芯片;④基于可編程FPGA。在通用PC微機(jī)上主要是軟件實(shí)現(xiàn)圖像處理，能夠提供中等的圖像處理能力，但是要占用CPU幾乎全部的處理能力。在獨(dú)立機(jī)型設(shè)計(jì)中一般采用其他三種方式：①基于可編程FPGA的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜而且難度較大;②基于專(zhuān)用DSP芯片的設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍受限;③基于通用DSP芯片設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、靈活，特別適合于新型產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)。

　　3.1圖像技術(shù)對(duì)DSP芯片的要求

　　對(duì)于圖像技術(shù)來(lái)說(shuō)，由于要處理的數(shù)據(jù)量大，計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算中間結(jié)果精度要求高，因此需要選擇合適的DSP芯片。在選擇DSP芯片時(shí)首先要考慮對(duì)芯片速度的要求。由于現(xiàn)代高性能DSP芯片的結(jié)構(gòu)多樣化，單純依靠指令執(zhí)行速度MIPS 比較其性能是不全面的，現(xiàn)在一般采用單周期的乘加次數(shù)，或采用數(shù)字信號(hào)處理中的基準(zhǔn)程序如FFT和數(shù)字濾波等的執(zhí)行時(shí)間來(lái)測(cè)評(píng)DSP芯片的速度性能。其次，還需要考慮如何選擇定點(diǎn)或浮點(diǎn)DSP芯片。

　　一般說(shuō)來(lái)，浮點(diǎn)DSP芯片的運(yùn)算精度高，動(dòng)態(tài)范圍大，尋址空間大，指令運(yùn)算能力較強(qiáng)，但功耗、成本、體積較大。而定點(diǎn)DSP芯片的運(yùn)算精度與浮點(diǎn)DSP芯片相同(定點(diǎn)的數(shù)據(jù)位數(shù)和浮點(diǎn)的位數(shù)相同的情況下),且功耗、成本、體積較小，但動(dòng)態(tài)范圍小，需要防止計(jì)算溢出，尋址空間小，指令運(yùn)算能力較弱。從總體性能上看，浮點(diǎn)DSP芯片優(yōu)于定點(diǎn)DSP芯片。此外，在硬件方面還應(yīng)考慮芯片的外部總線(xiàn)結(jié)構(gòu)、片上存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、DMA功能、串行通信口和芯片間通信能力等因素;在軟件方面主要是開(kāi)發(fā)軟件的功能性、開(kāi)發(fā)時(shí)間要求等因素。

　　綜合考慮DSP芯片的性能和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的要求后，在圖像技術(shù)中應(yīng)該首選浮點(diǎn)DSP芯片，但是在對(duì)價(jià)格敏感的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，目前采用定點(diǎn)DSP芯片的例子也有。

　　表1比較了代表目前很高DSP芯片技術(shù)水平的三種產(chǎn)品，包括TI公司的定點(diǎn) DSP芯片(TMS320C6203)和浮點(diǎn)DSP芯片(TMS320C6701)與AD公司浮點(diǎn)DSP芯片(ADSP-21160)。由于工作時(shí)鐘較高的原因，TI公司的DSP芯片在單芯片處理能力上優(yōu)于AD公司的產(chǎn)品，但是在多芯片集成處理上AD公司的DSP芯片性能更好一些。

　　3.2基于DSP芯片的圖像處理系統(tǒng)

　　圖2所示為一個(gè)獨(dú)立型通用圖像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)板主要構(gòu)成為：工作于167MHz的TMS320C6701 ; 32位4M的SDRAM ，32位128K 的SBSRAM，32位4K的雙口RAM，16位1M的Flash存儲(chǔ)器;兩路A/D，每路40M/12Bit，可同時(shí)采樣，采樣頻率可變;可編程FPGA作為靈活的接口;通用數(shù)字接口也可以直接接收彩色數(shù)字圖像;外部HPI主機(jī)接口可用于系統(tǒng)控制;仿真調(diào)試JTAG接口;串行通信接口;電源監(jiān)測(cè)與復(fù)位控制電路等。

　　在該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板上處理應(yīng)用于會(huì)議電視的CIF格式的彩色圖像，實(shí)驗(yàn)效果較好。TI公司提供了全圖形的Code Composer集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,具有匯編語(yǔ)言和直接的C編譯器。匯編語(yǔ)言的程序代碼執(zhí)行效率高，而采用C語(yǔ)言的程序代碼效率較差。但是，直接采用匯編語(yǔ)言編程有一定難度。因此，通常先采用c語(yǔ)言設(shè)計(jì)驗(yàn)證算法，然后經(jīng)過(guò)C編譯器產(chǎn)生匯編代碼。最后在匯編代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

圖二: 獨(dú)立型通用圖像處理系統(tǒng)框圖

        4.DSP芯片相關(guān)問(wèn)題

　　4.1DSP芯片有什么作用?

　　DSP是專(zhuān)用于數(shù)字處理數(shù)字信號(hào)(如音頻)的處理器。它們旨在以最低的能耗高速執(zhí)行加法和減法等數(shù)學(xué)函數(shù)。DSP芯片以各種尺寸、價(jià)格和性能點(diǎn)出現(xiàn)。

　　4.2DSP代表什么?

　　數(shù)字信號(hào)處理，數(shù)字信號(hào)處理(DSP)是指用于提高數(shù)字通信的準(zhǔn)確性和可靠性的各種技術(shù)。DSP背后的理論相當(dāng)復(fù)雜，DSP通過(guò)澄清或標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字信號(hào)的電平或狀態(tài)來(lái)工作。

　　4.3為什么需要DSP?

　　數(shù)字信號(hào)處理很重要，因?yàn)樗@著提高了聽(tīng)力保護(hù)的整體價(jià)值。與被動(dòng)保護(hù)不同，DSP抑制噪聲而不阻塞語(yǔ)音信號(hào)?，F(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)領(lǐng)域，然后應(yīng)用抽象的科學(xué)和數(shù)學(xué)模型。

　　4.4DSP和DAC一樣嗎?

　　DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種處理，因?yàn)樗菙?shù)字信號(hào)處理器。如果它是純粹的DSP，它不應(yīng)該將任何東西轉(zhuǎn)換為模擬，盡管像MiniDSPHD這樣的設(shè)備兩者都做。DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，因?yàn)樗菙?shù)模轉(zhuǎn)換器。

　　4.5DSP比分頻器好嗎?

　　一個(gè)DSP做同樣的事情甚至更多，它通常會(huì)添加許多功能，如時(shí)間對(duì)齊和EQ以進(jìn)一步自定義聲音，加上交叉頻率和斜率是可變的，所以你可以調(diào)整它們以適應(yīng)你的環(huán)境。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　以上就是DSP芯片在圖像技術(shù)中的應(yīng)用介紹了。DSP芯片將應(yīng)用在更多的領(lǐng)域，如智能通信****、雷達(dá)、聲納、圖形圖像系統(tǒng)、語(yǔ)音識(shí)別、VOIP、飛行仿真、軍用設(shè)備等等。

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