DSP 的特点、发展趋势与应用
DSP 的特点、发展趋势与应用
摘要：本文通过介绍DSP，展示了其特点，及相关企业的DSP产品分析，揭示了其的发展与方向，最后介绍了其在现实生活中的应用。
关键词: 数字信号、数字信号处理器、特点、发展、应用。
一）DSP的介绍
数字信号处理(Digital Signal Processing)和数字信号处理器(Digital Signal Processor)它们的简称都是DSP，然而其内涵却是不同的。数字信号处理是指将模拟信号通过采样进行数字化后的信号进行分析、处理，它侧重于理论、算法及软件实现。数字信号处理有一些典型算法，如大家熟知的快速傅立叶变换(FFT)，这一算法已经成为衡量DSP处理器运算速度的一个指标。要实现这些算法，特别是要实时的完成某些算法就需要有特殊的硬件支持，这就是数字信号处理器。数字信号处理技术能够得到广泛的普及和应用在很大程度上得益于数字信号处理器性能的提高和价格的下降，因此，现在说到DSP一般都指DSP器件。自然界的信号，包括声音和图象，都是模拟的，需要把它进行数字化处理。
信号的处理过程就是对信号的过滤和重构，以得到我们需要的特征，为实现这一目的，实际上就是要构造信号到信号之间的传递函数，其实现方法分为两类:模拟方式和数字方式，模拟方式是用电阻、电容、运算放大器等模拟器件实现滤波，乘、加和控制等功能，而数字的方式是先将模拟信号数字化，再进行数字处理，然后还原成模拟信号采用数字方式对信号进行处理，尽管多了一些环节，但其优点是很明显的，首先，克服了模拟电路为追求高精度而导致的一系列麻烦，如阻容器件的参数不一致造成在生产过程中需要对每个电路仔细调整，费时费工，不利于大规模的工业化生产等;其次模拟电路的设计一般比较固定，要实现一个新的设计必须全部修改，而数字电路只需改动DSP的软件就完成了。
二）DSP的特点
世界上第一颗DSP芯片是美国德州仪器公司于1982年推出的第一代产品:TMS 32010。经过十几年的发展，DSP器件在高速度、可编程、小型化等方面都有了长足的发展，单片DSP芯片每秒可完成16亿次的运算(16MIPS)，生产DSP器件的公司也不断壮大，例如，Analog Device，Lucent ，Motorola Texas Instrument，等都是著名的DSP器件生产厂家。由于各DSP厂家的竟争及生产工艺的不断提高，使得DSP器件的价格不断下降，其应用面从起初的局限于军工，航空航天等领域，扩展到今天的诸多电子行业及消费类电子产品中。为了满足不同层次的需要，DSP器件也朝着两个方向分化，一是专用型，即一种芯片仅完成一种DSP算法，这类器件多出现在工业及消费类电子行业，比如VCD机的处理核心就是一组DSP芯片，它们完成的功能就是解码。二是通用型，这类芯片具有较丰富的硬件接口和很强的可编程性，适用于开发或研究。本文将着重讨论通用型的DSP，因为专用型的DSP器件实际上是由通用型的发展而来的。具体有以下的特点
第一，多总线结构:
世界上最早的微处理器是基于冯·纽曼(V on-Neumann)结构的，其取指令，取数据都是通过一条总线完成的，因此必须分时进行，在高速运算时，往往在传输通道上会出现瓶颈效应。而DSP内部一般采用的是哈佛(Harvard)体系结构，它在片内至少有四套总线:程序的数据总线，程序的地址总线，数据的数据总线和数据的地址总线。这种分离的程序总线和数据总线，可允许同时获取指令字(来自程序存贮器)和操作数(来自数据存贮器)，而互不干扰，这意味着在一个机器周期内可以同时准备好指令和操作数。有的DSP芯片内部还包含有其它总线，如DMA总线等，可实现单周期内完成更多的工作。这种多总线结构就好象在DSP内部架起了四通八达的高速通道，保障运算单元及时地取到需要的数据，提高运算速度。因此，对DSP来说，内部总线是个资源，总线越多，可以完成的功能就越复杂。
第二，多处理单元:
DSP内部一般都包括多个处理单元，如硬件乘法器(MUL )，累加器(ACC)，算术逻辑单元(ALU)，辅助算术单元(A RAU )以及DMA控制器等。它们都可以在一个单独的指令周期内执行完计算任务，并且这种运算往往是同时完成的。例如，当完成一个乘法和累加的同时，辅助算术单元已经完成了下一个地址的寻址工作，为下
一次的运算做好了充分的准备。因此DSP可以完成连续的乘加运算，而每一次的运算都是单周期的。这种结构特别适用于滤波器的设计。DSP的这种多处理单元结构还表现在将一些特殊算法作成硬件，以提高速度，典型的FFT的位反转寻址，语音的A律，卜律算法等。
第三，流水线结构:
要执行一条DSP指令，需要通过取指令、解码、取操作数和执行等几个阶段，DSP的流水线结构是指它的这几个阶段在程序执行过程中是重叠的，即在执行本条指令的同时，下面的三条指令已依次完成了取操作数、解码、取指令的操作，这样就将指令周期的时间降低到最小值。正是利用这种流水线机制，保证DSP的乘法、加法以及乘加运算可以在一个单周期内完成，这对提高DSP的运算速度具有重要意义，特别是当设计的算法需要连续的乘加运算，这种结构的优越性就得到了充分的表现。也正是这种结构，决定了DSP的指令基本上都是单周期指令，衡量一个DSP 的速度也基本上以单周期指令时间为标准，其倒数就是大家熟知的MIPS(每秒多少兆次指令)。
第四，硬件乘法器:
可以说几乎所有的DSP内部都有硬件乘法器，硬件乘法器的功能是在单周期内完成一次乘法运算，是DSP实现快速运算的重要保障。然而，并不是有了硬件乘法器就可以认为它是一个DSP，目前，已有一些MCU厂商将乘法器集成在其内部，但要真正实现类似DSP的高速性能，还需要内部上述的其他几个特征相配合。三）DSP的主要生产企业与产品
近年来越来越多的模拟电子产品正转向数字化技术, 目前约有80 多家公司在他们的芯片中采用了数字信号处理技术。最著名的是以下几家公司
（1）T I 公司占有世界市场45% 的份额，是全球最大的DSP 供应商, 该公司于80年代初第一个推出了商用的DSP。典型代表产品是T I的TM S320 系列, 目前已先后推出10 类DSP 产品, 它们分别是: 定点系列产品、浮点系列产品、多处理器、专用DSP 系列。每一系列的DSP 中又有许多不同的品种, 总计100 多个型号, 每一个系列的DSP 对应于不同的应用。最近T I公司宣布研制成功 4 种新型嵌
入式数字信号处理器。这些新型的DSP 提高电机的工作效率、降低噪音、改善能源利用效率, 可以应用于家用电器到工业自动化控制系统等不同领域。TMS320F241和TMS320F243 是能向工业控制设计人员提供8K 可编程快闪存储器和CAN 功能的唯一DSP 控制器。TMS320C421 控制器可提供8K ROM 和CAN 功能。可应用在转动控制系统、机器人、传动液压系统、计算机数控(CNC)和汽车控制系统等方面。
（2）ADI 公司是占市场份额的4%另一个著名的DSP 生产公司，它瞄准DSP 技术的发展方向, 不断研究开发新产品，以大量消费类和准消费类设备定位自己的客户对象和应用方向。计划将ADI 的低价位的32 位浮点DSP 直接与T I 公司的低价浮点DSP 及Motorola 公司的24 位定点DSP 进行竞争。其研制的ADSP22106X ( SHA RC ) 系列 D SP 产品将内置更多的SRAM 。ADSP22100 具有双端口RAM 可达到192Kbit。片内内存的大小是区别DSP 产品性能的关键特征之一, 因为信息在片内内存和片外内存之间的频繁交换会导致DSP 性能的下降。
(3) Lucent 公司占有市场份额的28%，其产品主要集中在通信领域。今年下半年Lucent 公司将全面推出DSP16000 系列产品。该系列的第一个产品16210 具有较大的内存容量, 用于多通道高速编码器和多通道调制解调器。Lucent 公司已经将目标转向下一代移动通信系统CDMA。它的DSP16000 系列DSP 就是严格按照无线通信标准来设计的。其内核备有高代码密度的16 位和32 位混合指令集, 每个周期可执行双32 位访问, 100MHz 时钟下具有100MIPS 的吞吐量或每秒2 亿条操作功能。片上高速内存具有31 条双MAC 指令来减少系统功耗。
（4）Motorola 公司占有市场12%的份额，也致力于发展DSP 技术, 开发DSP 产品。新款DSP 提供极小的功率和102K 字节片上SRAM , 将满足多通道数据处理等应用方案中对更高性能的信号传输要求, 而系统成本相应得到降低。新款超小型DSP56309 芯片的运行电源313V , 提供80MHz 操作。由于具备102K 片上SRAM , 它可于大小不同的方案中, 与程序RAM、指令超高速缓存、X 或Y 数据RAM 配合使用。该芯片与其它DSP56800 器件保持编码兼容, 包括软件、模拟模型、应用注释和系统开发工具。
四）DSP的发展和方向
当前, 电子产品正在发生从模拟到数字的转化, 数字化是当前信息领域发展的一大趋势。在这一场数字化的革命中,DSP 器件取得了飞速的发展, 成为集成电路中继微处理器和微控制器之后, 又一个引人注目的产品。DSP 是以数字信号来处理大量信息的器件, 能够每秒钟处理千万条复杂的指令程序, 其处理速度比以往最快的微处理器还快10～50 倍。它的发展经历了三个阶段。70 年代, 是数字信息处理技术的理论研究阶段,。数字信号处理技术的出现,成为分析实际现象的有力工具, 当时的DSP 系统由分离元件组成。进入80 年代, 数字信号处理技术应用范围不断扩大, 要求提高信息处理速度, 进一步降低成本, 推动了DSP 技术的发展DSP，使DSP 技术开始在工业领域中得到应用和普及。进入90 年代,DSP 技术有了惊人的发展, 体现在DSP 芯片的性能和指标不断提高。以DSP 作为主要元件, 再加上外围电路和特定功能单元的综合合成的单一芯片, 加速了DSP 的发展, 运算速度和集成度得到进一步提高。DSP 芯片建立在数字信号处理的各种理论和算法的基础上, 专门完成各种实时数字信息处理运算。DSP 系统所选用的运算是各种经过时间考的DSP作为今后世界数字化技术发展的核心部件，将对许多行业包括人们的日常生活起到很大的影响，它的发展将表现在以下几个方面:
第一，追求更高速度和更小封装:
DSP的出现就是为了追求速度，目前它仍然保持这种发展态势，这里值得一提的是两个典型的DSP器件，一是美国德州仪器公司(TI)在90年代中后期推出的TMS320C6X系列，这类芯片包括定点C62X和浮点C67X两种，其中首先推出的是定点产品:TMS320C6201。这颗芯片片内有8个并行的处理单元，分为相同的两组，由于采用甚长指令字(VLIW)方式，芯片最高可以达到每秒16亿次的定点运算，执行一次1024点的FFT运算约为66微秒。这一芯片的推出，尤后续推出的廉价的类似功能的芯片，将在通信、雷达信号处理、医疗成象等领域获得广泛的应用。另一个是美国AD公司推出的超级哈佛结构(SHARC)的DSP，其典型产品为ADSP 2106 X系列，这类产品不仅仅是对DSP的内部结构作了改进，使DSP在单一周期内完成更多的工作，特别是它扩展了I/O能力，可以很容易地实现多个芯片的并行运算。
这类芯片处理1024点FFT的时间约为90微秒。这两类DSP都是对现有的结构进行了改进，极大地提高了速度，可以说这些结构上的变化代表了高速DSP的发展方向。
DSP在不断提高速度的同时，由于采用了新的制造工艺(0.25微米或0.18微米)和封装工艺(TQFP或BGA)，使其体积不断缩小。速度和体积这两方面的变化为一些大系统设计的工程师提供了方便，使其原来可能用很多芯片才能完成的工作，现在用一片就可解决。
第二，追求低价格，多功能:
DSP的低端器件，在外围功能上向MCU靠拢，使其在控制功能上更象一个MCU，同时又保持高速运算的能力价格也会使用户能够承受。特别的、适合某一行业的DSP会来越多，这种DSP能够满足某种特殊要求，而且价格低。这类DSP 会随着其应用产品的扩大，逐渐过渡到专用DSP芯片。
五）DSP的应用
DSP作为目前电子工业领域曾长最迅速的产品之一，它的应用越来越广泛主要在以下几个方向
1）通信领域的应用
以GSM为代表的第二代数字移动通信在全世界得到广泛应用。第三代移动通信产品的目标在于为提供一个全球统一,高效的无线移动标准而努力,并能提供宽带数据业务。3G产品广泛应用了CDMA,智能天线,软件无线电和多用户检测等尖端技术。移动通信的通信协议通常可分为4层,即应用层,网络层,数据链路层和物理层。鉴于此,移动通信终端可分为射频部分,模拟基带部分,数字基带部分。无论是通用的信号处理还是移动通信的信号处理,都对DSP有较高的要求,特别是3G移动通信产品的宽带数据业务对DSP的处理能力的要求更高。另一方面,多制式、低功耗和便携式又对移动终端的电路设计提出了更高的要求,在这种形势下,尽量简化电路芯片个数,将数字基带电路功能前移以及将MCU.DSP和专用接口芯片集成化,以成当前DSP芯片发展的趋势。
2）声音处理领域的应用
DSP的另一重要应用领域是声音处理。声音数字压缩技术早已获得应用，其中以脉冲编码调制(PCM)的方法最普遍。但由于它只能压缩50%数字，因此仍未足以应付未来计算机应用。DSP已经在音效应用中得到广泛采用，而且大部分应用于音效产品的技术，例如应用于多媒体音效卡。NEC公司推出了控制声音区域的DSP，可以应用于音效卡
3）语音识别领域的应用
DSP应用于语音识别领域，Motorola公司等厂商的设计人员都特别重视DSP 在语音识别中的应用。语音识别就是实时完成你想要做的事情，就是你要求该设备能即时识别你所讲的话。当然，也能处理传送中的文字。一段相当长的程序，只有靠DSP才能完成。语音识别技术获得许DSP供应商的支持。Motorola公司已经推出了PC媒介开发套件。这是一种适合软、硬件开发人员应用的开发平台，方便他们建立语音识别、语音合成引擎、扬声器等设备。语音识别还可依赖于微控制器的发展，特可以采用带有DSP及其它器件的微控制器。
4）其它领域的应用：
a. 通用数字信号处理,包括数字滤波,卷积,相关,FFT ,自适应滤波,模式匹配等;
b. 家用计算机。包括高速大容量硬盘,语音识别与合成,计算机加速卡,扫描仪,阵列处理机和多媒体处理等;如硬盘驱动器使用DSP，能大大提高数据存取速度、缩小体积，促进PC进一步缩小体积、减轻重量，可应用于掌上电脑。由于DSP速度高、数据传送快，还可以代替微控制器用于激光打印机、激光扫描及光盘只读存储器等计算机外设。
c. 图像、视频处理。包括图像变换。图像处理,图像压缩,运动估计等。
d. 军事用途。雷达探测,雷达成像,声纳信号处理,加密通信和电子对抗等。
e. 航空航天。包括虚拟训练设备,自动驾驶, GPS ,故障记录和分析设备等。
f .消费电子。包括高保真音响,数字电视,游戏机,智能家电等。
5）新产品举例
TI公司推出CSSXDSP芯片应用于内耳植入器，可以帮助听力障碍患者较好地恢复听力。内耳植入器包含一个以DSP为基础的信号处理单元，一个微型磁盘，
一条细小的导线，约有20个电极，这种内耳植人可使听力障碍者得以复聪。TI公司与内耳植器制造商合作不断地改进和扩展这种叻听器产品的功能。其中TMS320C5402是目前应用最广的DSP元件，它可以缩小内耳植入器的体积，把以往需要佩带在皮带上的产品，缩小成为可以装设在耳朵背后的超微型产品。最近新推出的CSSXDSP以进一步增强这种内耳植入器的运算功能，并将功耗降至原来的1/3，明显地延长了电池的使用寿命。
六）结束语
未来10年，全球DSP产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产品技术核心，将会越来越受到业界的青睐。据预侧到2010年，DSP芯片的集成度将增加11倍，在单个芯片内将能集成5亿只晶体管。目前DSP 的生产工艺已开始从0.35nm向0.25nm,0.18nm,0.1nm。到时拇指大小的单个芯片上集成8个TMS320DSP内核。DSP的前景会越来越好的。
参考文献
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