DSP概述DSP芯片的應(yīng)用

1、DSP概述1.1引言數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing,簡(jiǎn)稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。數(shù)字信號(hào)處理是圍繞著數(shù)字信號(hào)處理的理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等幾個(gè)方面發(fā)展起來(lái)的。數(shù)字信號(hào)處理在理論上的發(fā)展推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的發(fā)展。反過(guò)來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理

2、的應(yīng)用又促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理理論的提高。而數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)則是理論和應(yīng)用之間的橋梁。數(shù)字信號(hào)處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過(guò)程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號(hào)處理的基本工具，與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近來(lái)新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號(hào)處理密不可分?？梢哉f(shuō)，數(shù)字信號(hào)處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時(shí)又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法一般有以下幾種：(1)在通用的計(jì)算機(jī)(如PC機(jī))上用軟件(如Fortran、C語(yǔ)言)實(shí)現(xiàn)；(2)在通

3、用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)；(3)用通用的單片機(jī)(如MCS-51、96系列等)實(shí)現(xiàn)，這種方法可用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字控制等；(4)用通用的可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)相比，DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法；(5)用專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，用通用DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，例如專用于FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)等算法的DSP芯片，這種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需進(jìn)行編程。在上述幾種方法中，第1種方法的缺點(diǎn)是速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬；第2種和第5種方法專

4、用性強(qiáng)，應(yīng)用受到很大的限制，第2種方法也不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行；第3種方法只適用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的DSP算法；只有第4種方法才使數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用打開了新的局面。雖然數(shù)字信號(hào)處理的理論發(fā)展迅速，但在20世紀(jì)80年代以前，由于實(shí)現(xiàn)方法的限制，數(shù)字信號(hào)處理的理論還得不到廣泛的應(yīng)用。直到20世紀(jì)70年代末80年代初世界上第一片單片可編程DSP芯片的誕生，才將理論研究結(jié)果廣泛應(yīng)用到低成本的實(shí)際系統(tǒng)中，并且推動(dòng)了新的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，DSP芯片的誕生及發(fā)展對(duì)近20年來(lái)通信、計(jì)算機(jī)、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重要的作用。1.2 DSP系統(tǒng)1.2.1 DSP系統(tǒng)構(gòu)成圖1.1所示為一個(gè)典型的D

5、SP系統(tǒng)。圖中的輸入信號(hào)可以有各種各樣的形式。例如，它可以是麥克風(fēng)輸出的語(yǔ)音信號(hào)或是電話線來(lái)的已調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)，可以是編碼后在數(shù)字鏈路上傳輸或存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里的攝像機(jī)圖像信號(hào)等。圖1.1典型的DSP系統(tǒng)輸入信號(hào)首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行A/D（AnalogtoDigital）變換將信號(hào)變換成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號(hào)最高頻率的2倍。DSP芯片的車入是A/D變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號(hào)，DSP芯片對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘累加操作（MAC）。數(shù)字處理是DSP的關(guān)鍵，這與其他系統(tǒng)（如電話交換系統(tǒng)）有很大的不同

6、，在交換系統(tǒng)中，處理器的作用是進(jìn)行路由選擇，它并不對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。因此雖然兩者都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但兩者的實(shí)時(shí)約束條件卻有很大的不同。最后，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)字樣值再經(jīng)D/A(DigitaltoAnalog)變換轉(zhuǎn)換為模擬樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形。必須指出的是，上面給出的DSP系統(tǒng)模型是一個(gè)典型模型，但并不是所有的DSP系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件。如語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)在輸出端并不是連續(xù)的波形，而是識(shí)別結(jié)果，如數(shù)字、文字等；有些輸入信號(hào)本身就是數(shù)字信號(hào)(如CD：CompactDisk),因此就不必進(jìn)行模數(shù)變換了。1.2.2 DSP系統(tǒng)的特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基

7、礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部?jī)?yōu)點(diǎn)：(1)接口方便。DSP系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多；(2)編程方便。DSP系統(tǒng)中的可編程DSP芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過(guò)程中靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)；(3)穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，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(dá)到的精度；(5)可重復(fù)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)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測(cè)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

8、成。當(dāng)然，數(shù)字信號(hào)處理也存在一定的缺點(diǎn)。例如，對(duì)于簡(jiǎn)單的信號(hào)處理任務(wù)，如與模擬交換線的電話接口，若采用DSP則使成本增加。DSP系統(tǒng)中的高速時(shí)鐘可能帶來(lái)高頻干擾和電磁泄漏等問(wèn)題，而且DSP系統(tǒng)消耗的功率也較大。此外，DSP技術(shù)更新的速度快，數(shù)學(xué)知識(shí)要求多，開發(fā)和調(diào)試工具還不盡完善。雖然DSP系統(tǒng)存在著一些缺點(diǎn)，但其突出的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使之在通信、語(yǔ)音、圖像、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制、儀器儀表等許多領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1.2.3 DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程總的來(lái)說(shuō)，DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還沒有非常好的正規(guī)設(shè)計(jì)方法。圖1.2所示是DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。、圖1.2DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程在設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)之前，首

9、先必須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、信號(hào)處理的要求，通?？捎脭?shù)據(jù)流程圖、數(shù)學(xué)運(yùn)算序列、正式的符號(hào)或自然語(yǔ)言來(lái)描述。第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言的模擬。一般來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最終目標(biāo)，需要對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚幚矸椒ǖ牟煌瑫?huì)導(dǎo)致不同的系統(tǒng)性能，要得到最佳的系統(tǒng)性能，就必須在這一步確定最佳的處理方法，即數(shù)字信號(hào)處理的算法(Algorithm),因此這一步也稱算法模擬階段。例如，語(yǔ)音壓縮編碼算法就是要在確定的壓縮比條件下，獲得最佳的合成語(yǔ)音。算法模擬所用的輸入數(shù)據(jù)是實(shí)際信號(hào)經(jīng)采集而獲得的，通常以計(jì)算機(jī)文件的形式存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件。如語(yǔ)音壓縮編碼算法模擬時(shí)所用的語(yǔ)音信號(hào)就是實(shí)際采

10、集而獲得并存儲(chǔ)為計(jì)算機(jī)文件形式的語(yǔ)音數(shù)據(jù)文件。有些算法模擬時(shí)所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定要是實(shí)際采集的信號(hào)數(shù)據(jù)，只要能夠驗(yàn)證算法的可行性，輸入假設(shè)的數(shù)據(jù)也是可以的。在完成第二步之后，接下來(lái)就可以設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)DSP系統(tǒng)，實(shí)時(shí)DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)首先要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量的大小、對(duì)運(yùn)算精度的要求、系統(tǒng)成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的DSP芯片。然后設(shè)計(jì)DSP芯片的外圍電路及其他電路。軟件設(shè)計(jì)和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP芯片編寫相應(yīng)的DSP匯編程序，若系統(tǒng)運(yùn)算量不大且有高級(jí)語(yǔ)言編譯器支持，也可用高級(jí)語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)編程。由于現(xiàn)有的高級(jí)語(yǔ)言編譯器的效率還比不上手工編寫

11、匯編語(yǔ)言的效率，因此在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中常常采用高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程方法，即在算法運(yùn)算量大的地方，用手工編寫的方法編寫匯編語(yǔ)言，而運(yùn)算量不大的地方則采用高級(jí)語(yǔ)言。采用這種方法，既可縮短軟件開發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求。DSP硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，就需要進(jìn)行硬件和軟件的調(diào)試。軟件的調(diào)試一般借助于DSP開發(fā)工具，如軟件模擬器、DSP開發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。調(diào)試DSP算法時(shí)一般采用比較實(shí)時(shí)結(jié)果與模擬結(jié)果的方法，如果實(shí)時(shí)程序和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應(yīng)該一致。應(yīng)用系統(tǒng)的其他軟件可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試。硬件調(diào)試一般采用硬件仿真器進(jìn)行調(diào)試，如果沒有相應(yīng)的硬件

12、仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復(fù)雜，也可以借助于一般的工具進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調(diào)試完成后，就可以將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。當(dāng)然，DSP系統(tǒng)的開發(fā)，特別是軟件開發(fā)是一個(gè)需要反復(fù)進(jìn)行的過(guò)程，雖然通過(guò)算法模擬基本上可以知道實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能，但實(shí)際上模擬環(huán)境不可能做到與實(shí)時(shí)系統(tǒng)環(huán)境完全一致，而且將模擬算法移植到實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)必須考慮算法是否能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行的問(wèn)題。如果算法運(yùn)算量太大不能在硬件上實(shí)時(shí)運(yùn)行，則必須重新修改或簡(jiǎn)化算法。1.3 可編程DSP芯片1.3.1 什么是DSP芯片dsp芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)

13、字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：(1)在一個(gè)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(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；(3)片內(nèi)具有快速RAM,通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；(4)具有低開銷或無(wú)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(gè)硬件地址產(chǎn)生器；(7)可以并行執(zhí)行多個(gè)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。當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。1.3.2 DSP芯片的發(fā)展世界上第一個(gè)單片DSP芯片應(yīng)當(dāng)是1978年AMI公司發(fā)

14、布的S2811,1979年美國(guó)Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個(gè)主要里程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的PD7720是第一個(gè)具有乘法器的商用DSP芯片。在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國(guó)德州儀器公司(TexasInstrumentsTI）的一系列產(chǎn)品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS32011、TMS320C10/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TMS320

15、C30/C31/C32,第四代DSP芯片TMS320C40/C44,第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X,第二代DSP芯片的改進(jìn)型TMS320C2XX,集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列，即：TMS320C2000系歹U（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系歹U（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系歹U（TMS320C62X/C67X）。如今，TI公司的一系列DSP產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最有影響的DSP

16、芯片。TI公司也成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商，其DSP市場(chǎng)份額占全世界份額近50%。第一個(gè)采用CMOS工藝生產(chǎn)浮點(diǎn)DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮點(diǎn)DSP芯片。1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期為120ns,且具有雙內(nèi)部總線，從而使處理吞吐量發(fā)生了一個(gè)大的飛躍。而第一個(gè)高性能浮點(diǎn)DSP芯片應(yīng)是AT&T公司于1984年推出的DSP32。與其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相對(duì)較晚。1986年，該公司推出了定點(diǎn)處理器MC56001。1990年，推出了與IEEE浮點(diǎn)格式兼容的浮點(diǎn)DSP芯片MC96002。美國(guó)模

17、擬器件公司（AnalogDevices，簡(jiǎn)稱AD）在DSP芯片市場(chǎng)上也占有一定的份額，相繼推出了一系列具有自己特點(diǎn)的DSP芯片，其定點(diǎn)DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181,浮點(diǎn)DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062自1980年以來(lái),從運(yùn)算速度來(lái)看，（如TMS32010DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，DSP芯片的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。MAC（一次乘法和一次加法）時(shí)間已經(jīng)從20世紀(jì)80年代初的400ns）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C

18、62X/67X等）,處理能力提高了幾十倍。DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵的乘法器部件從1980年的占模片區(qū)（diearea）的40%左右下降到5%以下，片內(nèi)RAM數(shù)量增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。從制造工藝來(lái)看，1980年采用4叩的N溝道MOS（NMOS）工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米（Micron）CMOS工藝。DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的最多64個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加，如外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和處理器間的通信等。此外，DSP芯片的發(fā)展使DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。表1.1是TI公司DSP芯片1982年、1992年、1999年的比較表。表1.2則

19、是世界上主要DSP芯片供應(yīng)商的代表芯片的一些數(shù)據(jù)。表1.1TIDSP芯片發(fā)展比較表（典型值）年份1982年1992年1999年制造工藝4mmNMOS0.8mmCMOS0.3mmCMOSMIPS5MIPS40MIPS100MIPSMHz20MHz80MHz100MHz內(nèi)部RAM144字1K字32K字內(nèi)部ROM1.5K字4K字16K字價(jià)格$150.00$15.00$5.00$25.00功耗250mW/MIPS12.5mW/MIPS0.45mW/MIPS集成晶體管數(shù)50K500K表1.2單片可編程DSP芯片公司DSP芯片推出時(shí)間（年）MAC周期（ns）定點(diǎn)位數(shù)浮點(diǎn)位數(shù)AMIS281119783001

20、2/16mPD7720198025016/32NECmPD77230198515032TMS32010198239016/32TMS32020198720016/32TMS320C25198910016/32TMS320C3019896024/3232/40TITMS320C401992403240TMS320C5019903516/32TMS320C203199612.516/32TMS320LC5419961016/3291997516/32TMS320C62XMC5600119867524otorolaMC9600219905032/6432/44MC5600219915024/48DS

21、P32C19888016或2432/40AT&TDSP16A19882516/36DSP32101992602432/40ADADSP2101ADSP21020199019916040163232/401.3.3 DSP芯片的分類DSP芯片可以按照下列三種方式進(jìn)行分類。1 .按基礎(chǔ)特性分這是根據(jù)DSP芯片的工作時(shí)鐘和指令類型來(lái)分類的。如果在某時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)的任何時(shí)鐘頻率上，DSP芯片都能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱為靜態(tài)DSP芯片。例如，日本OKI電氣公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片屬于這一類。如果有兩種或兩種以上的DSP芯

22、片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼機(jī)管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類DSP芯片稱為一致性DSP芯片。例如，美國(guó)TI公司的TMS320C54X就屬于這一類。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(lái)分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱為定點(diǎn)DSP芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系歹U,AD公司的ADSP21XX系歹U,AT&T公司的DSP16/16A,Motolora公司的MC56000等。以浮點(diǎn)格式工作的稱為浮點(diǎn)DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X,AD公司的ADSP21XXX系歹U,

23、AT&T公司的DSP32/32C,Motolora公司的MC96002等。不同浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片則采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式，如Motorola公司的MC96002、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。3 .按用途分按照DSP的用途來(lái)分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應(yīng)用，如TI公司的一系列DSP芯片屬于通用型DSP芯片。專用DSP芯片是為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計(jì)的，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波、卷積和FFT,如M

24、otorola公司的DSP56200,Zoran公司的ZR34881,Inmos公司的IMSA100等就屬于專用型DSP芯片。本書主要討論通用型DSP芯片。1.3.4DSP芯片的選擇設(shè)計(jì)DSP應(yīng)用系統(tǒng)，選才iDSP芯片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片,才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路?？偟膩?lái)說(shuō)，DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。不同的DSP應(yīng)用系統(tǒng)由于應(yīng)用場(chǎng)合、應(yīng)用目的等不盡相同，對(duì)DSP芯片的選擇也是不同的。一般來(lái)說(shuō)，選擇DSP芯片時(shí)應(yīng)考慮到如下諸多因素。1.DSP芯片的運(yùn)算速度。運(yùn)算速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)

25、主要因素。DSP芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來(lái)衡量：(1)指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以ns(納秒)為單位。如TMS320LC549-80在主頻為80MHz時(shí)的指令周期為12.5ns;(2) MAC時(shí)間：即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。大部分DSP芯片可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法和加法操作，如TMS320LC549-80的MAC時(shí)間就是12.5ns;(3) FFT執(zhí)行時(shí)間：即運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需的時(shí)間。由于FFT運(yùn)算涉及的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理中很有代表性，因此FFT運(yùn)算時(shí)間常彳為衡量DSP芯片運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)；的處理能力為80MIPS,(4) MIPS:即每秒執(zhí)行百萬(wàn)

26、條指令。如TMS320LC549-80即每秒可執(zhí)行八千萬(wàn)條指令;(5) MOPS:即每秒執(zhí)行百萬(wàn)次操作。如TMS320C40的運(yùn)算能力為275MOPS;(6) MFLOPS:即每秒執(zhí)行百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作。如TMS320C31在主頻為40MHz時(shí)的處理能力為40MFLOPS;(7) BOPS:即每秒執(zhí)行十億次操作。如TMS320C80的處理能力為2BOPS。2 .DSP芯片的價(jià)格。DSP芯片的價(jià)格也是選擇DSP芯片所需考慮的一個(gè)重要因素。如果采用價(jià)格昂貴的DSP芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍肯定會(huì)受到一定的限制，尤其是民用產(chǎn)品。因此根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，需確定一個(gè)價(jià)格適中的DSP芯片。當(dāng)然，由于D

27、SP芯片發(fā)展迅速，DSP芯片的價(jià)格往往下降較快，因此在開發(fā)階段選用某種價(jià)格稍貴的DSP芯片，等到系統(tǒng)開發(fā)完畢，其價(jià)格可能已經(jīng)下降一半甚至更多。3 .DSP芯片的硬件資源。不同的DSP芯片所提供的硬件資源是不相同的，如片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量，外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口，I/O接口等。即使是同一系列的DSP芯片(如TI的TMS320C54X系列)，系列中不同DSP芯片也具有不同的內(nèi)部硬件資源，可以適應(yīng)不同的需要。4 .DSP芯片的運(yùn)算精度。一般的定點(diǎn)DSP芯片的字長(zhǎng)為16位，如TMS320系列。但有的公司的定點(diǎn)芯片為24位，如Motorola公司的MC56001等。浮點(diǎn)芯片的字長(zhǎng)一般為

28、32位，累加器為40位。5 .DSP芯片的開發(fā)工具。在DSP系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，開發(fā)工具是必不可少的。如果沒有開發(fā)工具的支持，要想開發(fā)一個(gè)復(fù)雜的DSP系統(tǒng)幾乎是不可能的。如果有功能強(qiáng)大的開發(fā)工具的支持，如C語(yǔ)言支持，則開發(fā)的時(shí)間就會(huì)大大縮短。所以，在選擇DSP芯片的同時(shí)必須注意其開發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開發(fā)工具。6 .DSP芯片的功耗。在某些DSP應(yīng)用場(chǎng)合，功耗也是一個(gè)需要特別注意的問(wèn)題。如便攜式的DSP設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的DSP設(shè)備等都對(duì)功耗有特殊的要求。目前，3.3V供電的低功耗高速DSP芯片已大量使用。7 .其他。除了上述因素外，選擇DSP芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)

29、準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。有的DSP芯片可能有DIP、PGA、PLCC、PQFP等多種封裝形式。有些DSP系統(tǒng)可能最終要求的是工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在選擇時(shí)就需要注意到所選的芯片是否有工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)的同類產(chǎn)品。如果所設(shè)計(jì)的DSP系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，而是需要批量生產(chǎn)并可能有幾年甚至十幾年的生命周期，那么需要考慮所選的DSP芯片供貨情況如何，是否也有同樣甚至更長(zhǎng)的生命周期等。在上述諸多因素中，一般而言，定點(diǎn)DSP芯片的價(jià)格較便宜，功耗較低，但運(yùn)算精度稍低。而浮點(diǎn)DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算精度高，且C語(yǔ)言編程調(diào)試方便，但價(jià)格稍貴，功耗也較大。例如TI的TMS320C2XX/C54X系列屬于定點(diǎn)DSP

30、芯片，低功耗和低成本是其主要的特點(diǎn)。而TMS320C3X/C4X/C67X屬于浮點(diǎn)DSP芯片，運(yùn)算精度高，用C語(yǔ)言編程方便，開發(fā)周期短，但同時(shí)其價(jià)格和功耗也相對(duì)較高。DSP應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量是確定選用處理能力為多大的DSP芯片的基礎(chǔ)。運(yùn)算量小則可以選用處理能力不是很強(qiáng)的DSP芯片，從而可以降低系統(tǒng)成本。相反，運(yùn)算量大的DSP系統(tǒng)則必須選用處理能力強(qiáng)的DSP芯片，如果DSP芯片的處理能力達(dá)不到系統(tǒng)要求，則必須用多個(gè)DSP芯片并行處理。那么如何確定DSP系統(tǒng)的運(yùn)算量以選擇DSP芯片呢？下面我們來(lái)考慮兩種情況。1 .按樣點(diǎn)處理所謂按樣點(diǎn)處理就是DSP算法對(duì)每一個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次。數(shù)字濾波就是這種情況。

31、在數(shù)字濾波器中，通常需要對(duì)每一個(gè)輸入樣點(diǎn)計(jì)算一次。例如，一個(gè)采用LMS算法的256抽頭的自適應(yīng)FIR濾波器，假定每個(gè)抽頭白計(jì)算需要3個(gè)MAC周期，則256抽頭計(jì)算需要256X3=768個(gè)MAC周期。如果采樣頻率為8kHz,即樣點(diǎn)之間的間隔為125ms,DSP芯片的MAC周期為200ns，則768個(gè)MAC周期需要153.6ms的時(shí)間，顯然無(wú)法實(shí)時(shí)處理，需要選用速度更高的DSP芯片。表1.3示出了兩種信號(hào)帶寬對(duì)三種DSP芯片的處理要求，三種DSP芯片的MAC周期分別為200ns、50ns和25ns。從表中可以看出，對(duì)話帶的應(yīng)用，后兩種DSP芯片可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，對(duì)聲頻應(yīng)用，只有第三種DSP芯片能夠?qū)崟r(shí)

32、處理。當(dāng)然，在這個(gè)例子中，沒有考慮其他的運(yùn)算量。表1.3用DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波應(yīng)用領(lǐng)域采樣率(kHz)采樣周期（ms）256抽頭LMS濾波運(yùn)算量（MAC數(shù)）每樣點(diǎn)允許MAC指令數(shù)（200ns）每樣點(diǎn)允許MAC指令數(shù)（50ns）每樣點(diǎn)允許MAC指令數(shù)（25ns）1812576862525005000聲頻44.122.77681134539072 .按幀處理有些數(shù)字信號(hào)處理算法不是每個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次，而是每隔一定的時(shí)間間隔(通常稱為幀)循環(huán)一次。例如，中低速語(yǔ)音編碼算法通常以10ms或20ms為一幀，每隔10ms或20ms語(yǔ)音編碼算法循環(huán)一次。所以，選才iDSP芯片時(shí)應(yīng)該比較一幀內(nèi)DSP芯片的處理能力和DSP算法的運(yùn)算量。假設(shè)DSP芯片的指令周期為p(ns),一幀的時(shí)間為tD(ns),則該DSP芯片在一幀內(nèi)所能提供的最大運(yùn)算量為tD/p條指令。例如TMS320LC549-80的指令周期為12.