DSP技術(shù)綜述[1](精)

1、DSP技術(shù)綜述姓名：學(xué)號：摘要：DSP(digitalsignalprocessor)是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing,簡稱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。2

2、0世紀(jì)60年代以來，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實力。關(guān)鍵字：DSP、TI公司、發(fā)展、芯片、現(xiàn)狀、應(yīng)用、趨勢一、DSP的發(fā)展歷史世界上第一個單片DSP芯片應(yīng)當(dāng)是1978年AMI公司發(fā)布的S2811,1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程器件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

3、須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的mPD7720是第一個具有乘法器的商用DSP芯片。在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司（TexasInstruments，簡稱TI）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TMS320C30/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

4、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系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系列（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芯片。TI公司也成為世界上最大的DSP芯片供給商，其DSP市場份額占全世界份額近50%。第一個采用CMOS工藝生產(chǎn)浮點DSP芯片的是日本的

5、Hitachi公司，它于1982年推出了浮點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)生了一個大的飛躍。而第一個高性能浮點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芯片方面相對較晚。1986年，該公司推出了定點處理器MC56001。1990年，推出了與IEEE浮點格式兼容的浮點DSP芯片MC96002。美國模仿器件公司（AnalogDevices，簡稱AD）在DSP芯片市場上也占有一定的份額，相繼推出了一系列具有自己特點的DSP芯片，其定點DS

6、P芯片有ADSP2101/2103/2105、ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181，浮點DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062等。自1980年以來，DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，DSP芯片的應(yīng)用越來越廣泛。從運算速度來看，MAC（次乘法和一次加法）時間已經(jīng)從20世紀(jì)80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等），處理能力提高了幾十倍。DSP芯片內(nèi)部要害的乘法器部件從1980年的占模片區(qū)（diearea）的40%左右下降到5%以

7、下，片內(nèi)RAM數(shù)量增加一個數(shù)量級以上。從制造工藝來看，1980年采用4“m的N溝道MOS（NM0S）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個增加到現(xiàn)在的200個以上，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。二、DSP的現(xiàn)狀國際發(fā)展現(xiàn)狀國際DSP處理發(fā)展的現(xiàn)狀，國外的商業(yè)化信號處理設(shè)備一直保持著快速的發(fā)展勢頭。歐美等科技大國保持著國際領(lǐng)先的地位。例如美國DSPresearch公司，Pentek公司，Motorola公司，

8、加拿大Dy4公司等，他們很多已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)大的規(guī)模，競爭也愈發(fā)激烈。我們從國際知名DSP技術(shù)公司發(fā)布的產(chǎn)品中就可以了解一些當(dāng)今世界先進(jìn)的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的情況。以Pentek公司一款處理板4293為例，使用8片TI公司300MHz的TMS320C6203芯片，具有19200MIPS的處理能力，同時集成了8片32MB的SDRAM，數(shù)據(jù)吞吐600MB/s。該公司另一款處理板4294集成了4片MotorolaMPC7410G4PowerPC理器，工作頻率400/500MHz，兩級緩存256KX64bit，最高具有16MB的SDRAM。ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的協(xié)同工作能力，可

9、以組成強(qiáng)大的處理器陣列，在諸多領(lǐng)域(特別是軍事領(lǐng)域)獲得了廣泛的應(yīng)用。以英國TranstechDSP公司的TP-P36N為例，它由48片TS101b(TigerSharc)芯片構(gòu)成，時鐘250MHz，具有612GFLOPS的處理能力。DSP應(yīng)用產(chǎn)品獲得成功的一個標(biāo)志就是進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。在以往的20年中，這一進(jìn)程在不斷重復(fù)進(jìn)行，而且周期在不斷縮小。在數(shù)字信息時代，更多的新技術(shù)和新產(chǎn)品需要快速地推上市場，因此，DSP的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程還是需要加速進(jìn)行。隨著競爭的加劇，DSP生產(chǎn)商隨時調(diào)整發(fā)展規(guī)劃，以全面的市場規(guī)劃和完善的解決方案,加上新的開發(fā)歷年，不斷深化產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年

10、來我國的數(shù)字信號處理學(xué)科發(fā)展較快。DSP處理器已經(jīng)在我國的數(shù)字通信、信號處理、雷達(dá)、電子對抗、圖像處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用，為科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)創(chuàng)造了很大價值。全國有很多高校、科研機(jī)構(gòu)的信號處理實驗室都在大力研究性能更高的數(shù)字信號處理設(shè)備，取得了很多研究成果。我國的科研人員通過對先進(jìn)的DSP芯片的研究，已經(jīng)研制出一些高性能處理設(shè)備的解決方案，并且在板級PCB設(shè)計方面，也取得了寶貴的設(shè)計經(jīng)驗。以我國某電子技術(shù)研究所研制的DSP雷達(dá)數(shù)字信號處理通用模塊為例，它使用了6片ADSP21060和大規(guī)?？删幊唐骷?gòu)成通用處理模塊。通過信號處理算法并行設(shè)計、系統(tǒng)多數(shù)據(jù)流設(shè)計、處理任務(wù)分配調(diào)度程序設(shè)計，

11、實現(xiàn)高速實時雷達(dá)數(shù)字信號處理4。以FFT算法為例，將任務(wù)分為3個流水處理過程：FFT、復(fù)數(shù)乘法、IFFT，實現(xiàn)多片DSP組成并行處理。在33MHz時鐘下，1024點處理通過時間為0.7ms,可以實現(xiàn)單通道數(shù)據(jù)率為1MHz，雙通道并行工作為2MHz。國內(nèi)的某大學(xué)所研制的基于TMS320C6201的高速實時數(shù)字信號處理平臺，實現(xiàn)基-2的復(fù)數(shù)FFT，允許輸入數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍16-bit,可以實現(xiàn)59ps內(nèi)完成512點的FFT,130ps內(nèi)可以完成1024點的FFT。但是，應(yīng)該看到，我國在信號處理理論、高速高性能處理器設(shè)計和制造方面與國際先進(jìn)水平還有較大差距。而且，主要的核心處理器件基本完全依賴進(jìn)口，這

12、也是我國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域需要大力加強(qiáng)的工作之一。復(fù)雜的大型處理機(jī)PCB板級設(shè)計和制造也存在一定困難，也是需要我國科研人員發(fā)揚(yáng)勇于拼搏的精神，繼續(xù)的刻苦努力。TIDSP平臺及應(yīng)用簡述世界上沒有完美的處理器，DSP不是萬能的。DSP器件的特點使得它特別適合嵌入式的實時數(shù)字信號處理任務(wù)。實時的概念實時的定義因具體應(yīng)用而異。一般而言，對于逐樣本(sample-by-sample)處理的系統(tǒng)，如果對單次樣本的處理可以在相鄰兩次采樣的時間間隔之內(nèi)完成，我們就稱這個系統(tǒng)滿足實時性的要求。即：tproesstsample，其中，tproess代表系統(tǒng)對單次采樣樣本的處理時間，tsample代表兩次采樣之間的時間

13、間隔。舉例來說，某個系統(tǒng)要對輸入信號進(jìn)行濾波,采用的是一個100階的FIR濾波器，即。假設(shè)系統(tǒng)的采樣率為1KHz,如果系統(tǒng)在1ms之內(nèi)可以完成一次100階的FIR濾波運算，我們就認(rèn)為這個系統(tǒng)滿足實時性的要求。如果采樣率提高到10KHz，那么實時性條件也相應(yīng)提高，系統(tǒng)必須在0.1ms內(nèi)完成所有的運算。需要注意，tproess還應(yīng)當(dāng)考慮各種系統(tǒng)開銷，包括中斷的響應(yīng)時間，數(shù)據(jù)的吞吐時間等。正確理解實時的概念是很重要的。工程實現(xiàn)的原則是“量體裁衣”，即從工程的實際需要出發(fā)設(shè)計系統(tǒng)，選擇最合適的方案。對于DSP的工程實現(xiàn)而言，脫離系統(tǒng)的實時性要求，盲目選擇高性能的DSP器件是不科學(xué)的，因為這意味著系統(tǒng)復(fù)

14、雜度、可靠性設(shè)計、生產(chǎn)工藝、開發(fā)時間、開發(fā)成本以及生產(chǎn)成本等方面不必要的開銷。從這個角度而言，即使系統(tǒng)開發(fā)成功，整個工程項目可能仍然是失敗的。嵌入式應(yīng)用嵌入式應(yīng)用對系統(tǒng)成本、體積和功耗等因素敏感。DSP器件在這些方面都具有可比的優(yōu)勢，因此DSP器件特別適合嵌入式的實時數(shù)字信號處理應(yīng)用。反過來，對于某一個具體的嵌入式的實時數(shù)字信號處理任務(wù)，DSP卻往往不是唯一的，或者是最佳的解決方案。越來越多的嵌入式RISC處理器開始增強(qiáng)數(shù)字信號處理的功能；FPGA廠商為DSP應(yīng)用所做的努力一直沒有停止過；針對某項特定應(yīng)用的ASIC/ASSP器件的推出時間也越來越快。開發(fā)人員面臨的問題是如何根據(jù)實際的應(yīng)用需求客

15、觀地評價和選擇處理器件。以媒體處理應(yīng)用為例，現(xiàn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)較多，包括MPEG1/2/4、H261/3/4等，各種標(biāo)準(zhǔn)在一段時間內(nèi)共存，新的標(biāo)準(zhǔn)還在不斷涌現(xiàn)。如果系統(tǒng)設(shè)計需要兼顧實現(xiàn)性能和多標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性，DSP可能是一個較好的選擇。但是，如果應(yīng)用比較固定，對價格又特別敏感，采用專用的ASIC芯片可能就會更加合適。算法是DSP應(yīng)用的核心隨著DSP器件的發(fā)展，DSP系統(tǒng)開發(fā)的主要工作已經(jīng)轉(zhuǎn)向軟件開發(fā)，軟件開發(fā)將占據(jù)約80%的工作量，必須引起足夠的重視。另外，在目前的現(xiàn)狀條件下，算法是我們核心知識產(chǎn)權(quán)的主要體現(xiàn)，也是產(chǎn)品競爭力的主要因素。因此算法是DSP應(yīng)用的核心。三、DSP的未來趨勢很明然，在可預(yù)見

16、的一段時間內(nèi)，無線應(yīng)用仍將是可編程DSP市場的驅(qū)動引擎。不過，嵌入式DSP市場是一個更大的市場，我們將在后續(xù)的市場報告中予以討論。DSP技術(shù)(無論何種形式)是你能夠訪問窄帶、寬帶或是無線互聯(lián)網(wǎng)的唯一手段，它還是新興的分組(IP)電話市場的關(guān)鍵。沒有DSP就沒有對互聯(lián)網(wǎng)的訪問，沒有多媒體，也沒有無線通信。因此，盡管遭遇了短期的市場挫折，DSP仍將是整個半導(dǎo)體工業(yè)的技術(shù)驅(qū)動力。而國內(nèi)發(fā)展DSP的廠商并不多，而主要的應(yīng)用產(chǎn)品是DVD與無線電話等，因此國內(nèi)DSP的產(chǎn)值并不高；而在產(chǎn)品應(yīng)用上，目前重要的DSP應(yīng)用產(chǎn)品，如行動電話、調(diào)制解調(diào)器、HDD等個人計算機(jī)與通訊領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品，都是采用國際大廠的DSP

17、solution，因此國內(nèi)廠商尚無插足的余地。在未來的發(fā)展上，國內(nèi)的業(yè)者如欲進(jìn)入DSP領(lǐng)域，在目前這個壟斷市場情況相當(dāng)明顯的情勢之下，應(yīng)避免與國際大廠在其擅長的領(lǐng)域正面交鋒，若能另辟市場，選擇利基產(chǎn)品切入，例如消費性電子產(chǎn)品市場，則尚有機(jī)會在DSP市場一搏，目前國內(nèi)已有相當(dāng)不錯成績的DVD產(chǎn)品即為一證明。世界經(jīng)濟(jì)蕭條和中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展使更多世界一流的跨國公司調(diào)整在中國的策略，中國市場已經(jīng)成為世界一流的跨國公司DSP發(fā)展的關(guān)鍵因素。更大的原因是中國DSP市場占全球市場的比重越來越大，DSP廠商只有在中國市場上取得成功，才有望擴(kuò)大其市場份額。這些公司希望迅速在中國主要城市建立銷售辦事處，在加強(qiáng)銷售覆蓋率的同時，把DSP技術(shù)支持規(guī)模迅速擴(kuò)大，并實現(xiàn)技術(shù)信息本地化。技術(shù)信息本地化是體現(xiàn)他們在中國進(jìn)行調(diào)整的標(biāo)志性措施，它將使ADI在新產(chǎn)品的設(shè)計上加入中國因素，通過設(shè)計部門與中國現(xiàn)場服務(wù)工程師進(jìn)行信息溝通、匯總，實際上是把他們在發(fā)達(dá)國家的市場策略引入中國。驅(qū)動世界一流的跨國公司進(jìn)行中國調(diào)整的因素很多，一是中國DSP市場在全球重要性日益明顯，二是他們自身在技術(shù)和市場發(fā)展上的需要。種種跡象表明，中國市場是亞洲發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮氖袌?，?shù)字革命促進(jìn)了高性能DSP的廣泛應(yīng)用，如數(shù)碼相機(jī)