DSP技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(精)

1、DSP 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢一、數(shù)字信號(hào)處理結(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)：采集系統(tǒng)+DSP 芯片非實(shí)時(shí)系統(tǒng)：pc 機(jī)上進(jìn)行處理系統(tǒng)的模擬與仿真或仿真庫 +DSP 芯片。1 DSP、MCU、MPU 的關(guān)系微控制器 MCU 通俗的稱呼是單片機(jī)， 它與微處理器 MPU 是微機(jī)技術(shù)的兩大分 支。 MPU的發(fā)展動(dòng)力是人類對(duì)無止境的海量數(shù)值運(yùn)算的需求，速度越來越快。MCU 的發(fā)展是為了滿足被控制對(duì)象的要求，向高可靠性、低功耗、低成本發(fā) 展。一般MCU 的引腳數(shù)在 60 以下，MCU 以 8 位機(jī)為主、32 位機(jī)為輔。有趨勢 提高 MCU 的運(yùn)算功能， 將DSP集成到MCU中， 比如32位的MC68356

2、集成了 Motorola 的 DSP56002。微控制器 MCU 直存在兩種基本結(jié)構(gòu)：哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)和馮諾依曼(von Meuma nn)結(jié)構(gòu)，還可進(jìn)一步講是對(duì)應(yīng)成復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC 和精簡指令計(jì)算機(jī) RISC。馮諾伊曼結(jié)構(gòu)具有單一總線 PRAM 或 DRAM 都映射到同一地址空 間，總線寬度與 CPU 類型匹配。哈佛結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線， CISC 的指令一般是微碼 miccode,每條指令由 CPU 解碼為許多基本指令，基于 CISC 的微控制器一般很復(fù)雜，都采用馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，所需要的程序存儲(chǔ)器比 RISC 產(chǎn)品少。微碼在 CPU產(chǎn)生而限制了 CISC 器件的

3、帶寬，其指令集也比 RISC 器件大。68000 的 MPU 是準(zhǔn) 32 位的 MPU， 內(nèi)部 32 位， 外部總線是 16 位。 蘋果機(jī)就是用 68000系列，它的運(yùn)行分成系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)，其設(shè)計(jì)是面向分時(shí)多任務(wù)或?qū)崟r(shí)操 作系統(tǒng)的，68000 的總線后來變成 VME 總線標(biāo)準(zhǔn)。到 68020 就是全 32 位了。1991 年 IEEE1149.1 即 JTAG 的公布滿足了 IC 制造商的措施需求，也給 ASIC、MCU、MPU、DSP、PLD、FPGA 等的用戶帶來方便。一般十萬門以上的 IC 都 有 JTAG 接口，1993 年 IEEE1149.5 對(duì) JTAG 作了修正(5 線接口)。

4、IC 的測試分成 晶片級(jí)、IC 封裝級(jí)、電路板與系統(tǒng)極，JTAG 完成了前兩者的測試。適于 68000 系列的 32 位機(jī)的開發(fā)工具ICD32是一段扁平電纜， 一端接 IC的 JTAG的 5線接 口， 一端通過 25芯頭(里面有 GAL)接 PC 機(jī)并口。傳統(tǒng)上，微控制器 MCU 與微 處理器 MPU 是兩大分支，而 DSP 是 MCU的一種特殊變形。但是從實(shí)質(zhì)講，MPU 多半是 CISC，除了 DSP 之外的 MCU 也是 CISC。而 DSP 是 RISC。所以比 較時(shí)更適合 DSP 與 MPU 相比，MPU 適宜于相同管理這樣的應(yīng)用中，以條件判斷 為主的應(yīng)用，以軟件管理的操作系統(tǒng)為核心的

5、產(chǎn)品，MPU 的設(shè)計(jì)側(cè)重于不妨礙程序的流程，以保證操作系統(tǒng)支持功能及轉(zhuǎn)移預(yù)測功能等。而DSP 側(cè)重于保證數(shù)據(jù)的順利通行，結(jié)構(gòu)盡量簡單。2 馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)1945 年，馮 諾依曼首先提出了 存儲(chǔ)程序”的概念和二進(jìn)制原理，后來，人們把 利用這種概念和原理設(shè)計(jì)的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)稱為馮.諾曼型結(jié)構(gòu)”計(jì)算機(jī)。馮.諾曼結(jié)構(gòu)的處理器使用同一個(gè)存儲(chǔ)器，經(jīng)由同一個(gè)總線傳輸。馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：必須有一個(gè)存儲(chǔ)器；必須有一個(gè)控制器；必須有一個(gè)運(yùn)算器，用于完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；必須有輸入和輸出設(shè)備，用于進(jìn)行人機(jī)通信。另外，程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)并在程序控制下自動(dòng)工作馮諾依曼的主要貢獻(xiàn)就是提出并實(shí)

6、現(xiàn)了存儲(chǔ)程序”的概念。由于指令和數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制碼，指令和操作數(shù)的地址又密切相關(guān)，因此，當(dāng)初選擇這種結(jié)構(gòu)是自然 的。但是，這種指令和數(shù)據(jù)共享同一總線的結(jié)構(gòu)，使得信息流的傳輸成為限制計(jì) 算機(jī)性能的瓶頸，影響了數(shù)據(jù)處理速度的提高。在典型情況下，完成一條指令需要 3 個(gè)步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指 令。從指令流的定時(shí)關(guān)系也可看出馮 諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)處理方式的差別。舉 一個(gè)最簡單的對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作的指令，指令1 至指令 3 均為存、取數(shù)指令，對(duì)馮諾曼結(jié)構(gòu)處理器，由于取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個(gè)存儲(chǔ)空間存取，經(jīng) 由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行，只有一個(gè)完成后再進(jìn)行下一個(gè)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種將

7、程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。 中央處理器首先 到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼後得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip 公司的 PIC16 芯片的程序指令是 14 位寬度，而數(shù)據(jù)是 8 位寬度。哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。 其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織 和存儲(chǔ)的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多，除了上面提到的 Microchip 公司的PIC 系列芯片，還有摩托羅拉公司的 MC68 系列、Z

8、ilog 公司的 Z8 系列、 ATMEL 公司的 AVR 系列和安謀公司的 ARM9、ARM10 和 ARM11。哈佛結(jié)構(gòu)是指程序和數(shù)據(jù)空間獨(dú)立的體系結(jié)構(gòu)，目的是為了減輕程序運(yùn)行時(shí)的訪 存瓶頸.例如最常見的卷積運(yùn)算中，一條指令同時(shí)取兩個(gè)操作數(shù)，在流水線處理時(shí)，同時(shí)還 有一個(gè)取指操作，如果程序和數(shù)據(jù)通過一條總線訪問，取指和取數(shù)必會(huì)產(chǎn)生沖突，而這對(duì)大運(yùn)算量的循環(huán)的執(zhí)行效率是很不利的.哈佛結(jié)構(gòu)能基本上解決取指和取數(shù)的沖突問題而對(duì)另一個(gè)操作數(shù)的訪問,就只能采用 En ha need 哈佛結(jié)構(gòu)了,例如像 TI 那樣，數(shù)據(jù) 區(qū)再 split,并多一組總線.或向 AD 那樣,采用指令 cache,指令區(qū)可

9、存放一部分二、DSP 應(yīng)用方向，其他 epu 和控制器融合趨勢、發(fā)展方向 DSP 技術(shù)在各領(lǐng)域的 創(chuàng)新應(yīng)用2.1 通信領(lǐng)域的應(yīng)用近年來，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP 已經(jīng)成為信號(hào)與信息處理領(lǐng)域里一門十 分重要的新興學(xué)科，它代表著當(dāng)今無線系統(tǒng)的主流發(fā)展方向?，F(xiàn)在，通信領(lǐng)域中 許多產(chǎn)品都與 DSP 密切聯(lián)系，例如，Modem、數(shù)據(jù)加密、擴(kuò)頻通信、可視電話 等。而尋找 DSP芯片來實(shí)現(xiàn)算法最開始的目標(biāo)是在可以接受的時(shí)間內(nèi)對(duì)算法做仿 真， 隨后是將波形存儲(chǔ)起來，然后再加以處理。圖1 所示，給出了一個(gè)典型的DSP 應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)字蜂窩電話是 DSP 最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。因 DSP 具有強(qiáng)大的 計(jì)算能力，

10、使得移動(dòng)通信的蜂窩電話重新崛起，并創(chuàng)造了一批諸如GSM、CDMA 等全數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)3。由于采用 DSP 技術(shù)，蜂窩電話的更新?lián)Q代變得 更為容易， 只需在統(tǒng)一的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上， 通過軟件的不斷升級(jí)生產(chǎn)各式各樣的 新款手機(jī)。圖 1 系統(tǒng)方框圖輸入信號(hào)首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 比特流。根據(jù)香農(nóng)抽樣定理，為保持信息的不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶 限信號(hào)最咼頻率的兩倍。2.2 儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用DSP 已經(jīng)涉足測量儀表和測試儀器行業(yè)，而且大有取代高檔單片機(jī)的趨勢。使用DSP 開發(fā)測量儀表和測試儀器可將產(chǎn)品提升到一個(gè)嶄新的水平。新款 DSP 豐富的 片內(nèi)資源

11、可以大大簡化儀器儀表的硬件電路，實(shí)現(xiàn)儀器儀表的 SOC （System On Chip,即片上系統(tǒng)）設(shè)計(jì)。儀器儀表的測量精度和速度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，使用DSP 芯片開發(fā)產(chǎn)品可使這兩項(xiàng)指標(biāo)大大提高。 以 TMS320F2810 為例， 其高效的 32 位 CPU 內(nèi)核、 優(yōu)異的 12 位 A/D轉(zhuǎn)換器、豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)器以及靈活的指令系統(tǒng)為我們開發(fā)快速、高精度 儀器搭建了廣闊的平臺(tái)。目前 DSP 正處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，儀器儀表是 DSP 的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域， 相信DSP 的應(yīng)用會(huì)推進(jìn)儀器儀表的技術(shù)革新。2.3 PC 領(lǐng)域中的應(yīng)用可編程多媒體 DSP 是 PC 領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。以 XDSL Mo

12、dem 為代表的高速通信 技術(shù)與 MPEG 圖像技術(shù)相結(jié)合，使得高品位的音頻和視頻形式的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)有可 能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交換。預(yù)計(jì)在今后的 PC 機(jī)中，一個(gè) DSP 即可完成全部所需的多媒體 的處理功能。2.4 全新數(shù)碼助聽器中的應(yīng)用由于傳統(tǒng)助聽器線路功能的局限性，無法滿足大部分聽障患者的要求，這個(gè)使命 理所當(dāng)然的留給了全數(shù)碼助聽器。 在國外， 助聽器的技術(shù)正由傳統(tǒng)的電子放大電 路逐步被 DSP所取代。DSP 具有強(qiáng)大的處理功能，能讓聽障患者聽到更清晰的、 想要聽到的聲音，去除患者不想聽到的聲音，從而使現(xiàn)代的助聽器技術(shù)產(chǎn)生一個(gè) 質(zhì)的飛躍。數(shù)字信號(hào)處理是全數(shù)碼助聽器的核心部分。它為調(diào)整輸入/輸出特性和

13、系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性提供很強(qiáng)的靈活性。2.5 圖形圖像技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用DVD 里應(yīng)用的活動(dòng)圖像壓縮/解壓縮用 MPEG2 編碼/譯碼器，同時(shí)也廣泛地應(yīng) 用于視頻點(diǎn)播 VOD、高品位有線電視和衛(wèi)星廣播等諸多領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域里，應(yīng)用的 DSP 應(yīng)該具備更高的處理速度和功能。 而且，活動(dòng)圖像壓縮/解壓技術(shù)也 日新月異，例如，DCT變換域編碼很難提高壓縮比與重構(gòu)圖像質(zhì)量， 于是出現(xiàn)了 對(duì)以視覺感知特性為指導(dǎo)的小波分析圖像壓縮方法。新的算法出現(xiàn)，要求相應(yīng)的高性能DSP。最近，日本各大學(xué)和高技術(shù)企業(yè)對(duì)于開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí) VR 系統(tǒng)，投入相當(dāng)力量，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像學(xué) CG 生成 3 維圖形，迫切需要多個(gè) DSP

14、并行處理系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)里的結(jié)點(diǎn) DSP 單元，要求采用與并行處理相適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。2.6 汽車電子系統(tǒng)及其他應(yīng)用領(lǐng)域汽車電子系統(tǒng)日益興旺發(fā)達(dá)起來，諸如裝設(shè)紅外線和毫米波雷達(dá)，將需用DSP 進(jìn)行分析。如今，汽車愈來愈多，防沖撞系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)。而且，利用攝像機(jī) 拍攝的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過 DSP 處理，才能在駕駛系統(tǒng)里顯示出來，供駕駛?cè)藛T參 考。應(yīng)用DSP 的領(lǐng)域可以說是不勝枚舉，電視會(huì)議系統(tǒng)里，也大量應(yīng)用DSP 器件。視聽機(jī)器里也都應(yīng)用 DSP。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)許許多多的 DSP 新應(yīng)用領(lǐng)域。3 DSP 技術(shù)的發(fā)展前景目前，DSP 市場正處于高速成長階段，在數(shù)字化、個(gè)人化和網(wǎng)絡(luò)化的

15、推動(dòng)下，2009 年世界 DSP 市場營業(yè)額已超過 800 億美元，預(yù)計(jì)未來的年增長率高達(dá) 40%,在全球 DSP 市場中，僅就美國而言，據(jù)估計(jì)，美國有超過1 億輛汽車、幾千萬臺(tái)個(gè)人通信裝置、每個(gè)家庭中就有 520 個(gè)聯(lián)網(wǎng)的家用電器以及數(shù)以百萬計(jì) 的工廠使用 DSP 系統(tǒng)。中國已成為 DSP 芯片的最大市場，數(shù)碼相機(jī)、IP 電話和 手持電子設(shè)備的熱銷帶來了對(duì) DSP 芯片的巨大需求。盡管 DSP 市場日趨成熟， 但仍有成長空間?；ヂ?lián)網(wǎng)和設(shè)備個(gè)性化是當(dāng)前信息社會(huì)的特征。互聯(lián)網(wǎng)是PC 時(shí)代全球經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)，由于 PC 市場仍未飽和，市場潛力巨大，也是 DSP 潛在 的應(yīng)用領(lǐng)域。而手機(jī)、PDA、M

16、P3 播放器以及手提電腦等則是設(shè)備個(gè)性化的典型 代表，這些設(shè)備的發(fā)展水平取決于 DSP 的發(fā)展。新的形勢下，DSP 面臨的要求是 處理速度更高，功能更多更全，功耗更低，存儲(chǔ)器用量更少。DSP 的技術(shù)發(fā)展將會(huì)有以下一些走勢：（1）系統(tǒng)級(jí)集成 DSP 是潮流。 小 DSP 芯片尺寸始終是 DSP 的技術(shù)發(fā)展方向。 當(dāng) 前的 DSP 尺寸小、功耗低、性能高。各 DSP 廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn) DSP 芯 核，并將幾個(gè) DSP 芯核、MPU 芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，成為 DSP 系統(tǒng)級(jí)集成電路。（2）追求更高的運(yùn)算速度和進(jìn)一步降低功耗和幾何尺寸 4。由于電子設(shè)

17、備的個(gè)人化和客戶化趨勢，DSP 必須追求更高更快的運(yùn)算速度，才能跟上電子設(shè)備的更 新步伐。同時(shí)由于 DSP 的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到人們工作生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是便 攜式手持產(chǎn)品對(duì)于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP 有待于進(jìn)一步降低功耗。按照 CMOS 的發(fā)展趨勢，依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)， DSP 運(yùn)算速度的提高和功耗 尺寸的降低是完全可能的。（3）DSP 的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善5。DSP 的結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化 DSP 設(shè)計(jì)以極大改進(jìn)產(chǎn)品的性能。多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù)（SIMD ）、超長指令字結(jié)構(gòu)（VLIM ）、超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多 線程及可并行擴(kuò)展的超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)（

18、SHARC）在新的高性能處理器中將占據(jù)主導(dǎo)地 位。（4）DSP 嵌入式系統(tǒng)。 DSP 嵌入式系統(tǒng)是 DSP 系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用電子系統(tǒng)中的 一種通用系統(tǒng)4。這種系統(tǒng)既具有 DSP 器件在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，又具有應(yīng) 用目標(biāo)所需要的技術(shù)特征。在許多嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，既需要在數(shù)據(jù)處理方面具有 獨(dú)特優(yōu)勢的DSP，也需要在智能控制方面技高一籌的微處理器（MCU）。因此，將 DSP 與 MCU融合在一起的雙核平臺(tái)，將成為 DSP 技術(shù)發(fā)展的一種新潮流。cpu 和控制器融合趨勢 多年以來，盡管 PC 在不斷發(fā)展，但基本架構(gòu)始終未變。中央處理器被連接到芯 片組上，而芯片組上又包含了內(nèi)存控制器和 I/O 控制器。隨

19、著制造工藝的提升， CPU 與芯片組的融合已經(jīng)成為可能。但這并不意味著，這種趨勢短期內(nèi)將在整個(gè) 業(yè)內(nèi)普及。英特爾芯片組事業(yè)部總經(jīng)理理查德馬林諾斯基表示： 把所有功能融入到一塊芯 片中的做法是不可行的，因?yàn)榇嬖诩蓡栴}。”威盛 CEO 陳文琦稱： 單一 CPU 芯片時(shí)代即將到來，在未來一兩年內(nèi)，威盛將繼 續(xù)奉行這一路線。 ”本月初， 威盛針對(duì) UMPC 市場， 推出了一款體積最小的主板 mobile-ITX，只有名片般大小。威盛 CPU 設(shè)計(jì)人員霍爾特承認(rèn)，CPU 與芯片組的融合是威盛所追求的目標(biāo)。但 實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，還有一系列問題亟待解決，如制造技術(shù)和電壓等問題。三、DSP 開發(fā)手段、包括硬件和軟件發(fā)展DSP 的軟件、硬件的開發(fā)以及系統(tǒng)的集成，日益關(guān)注。如何提高開發(fā)速度、降低 開發(fā)難度，所有開發(fā)者共同關(guān)心。除了必須了解DSP 本身的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)外，大量的時(shí)間和精力花費(fèi)在熟悉和掌握開發(fā)工具和環(huán)境上。 系統(tǒng)復(fù)雜程度的百分之 八十取決于軟件。所以，設(shè)計(jì)人員都極為看重先進(jìn)的、易于使用的開發(fā)環(huán)境與工 具。DSP 的開發(fā)環(huán)境如何，開發(fā)工具的功能是