[科普中國(guó)]-高速數(shù)字信號(hào)處理器

基本概念

高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是以DSP為核心，具有高速，實(shí)時(shí)的特點(diǎn)的一種信息處理技術(shù)。其本質(zhì)是信息的變換和提取。DSP（Digital Signal Processor），即數(shù)字信號(hào)處理器，是一種專用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程芯片。

信號(hào)處理的本質(zhì)是信息的變換和提取，是將信息從各種噪聲、干擾的環(huán)境中提取出來，并變換為一種便于為人或機(jī)器所使用的形式。從某種意義上說，信號(hào)處理類似于“沙里淘金”的過程：它并不能增加信息量（即不能增加金子的含量），但是可以把信息（即金子）從各種噪聲、干擾的環(huán)境中（即散落在沙子中）提取出來，變換成可以利用的形式（如金條等）。如果不進(jìn)行這樣的變換，信息雖然存在，但卻是無法利用的，這正如散落在沙中的金子無法直接利用一樣。

高速數(shù)字信號(hào)處理器的特點(diǎn)高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理是信號(hào)處理中的一個(gè)特殊分支。它的主要特點(diǎn)是高速處理和實(shí)時(shí)處理，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)和軍事的關(guān)鍵領(lǐng)域，如對(duì)雷達(dá)信號(hào)的處理、對(duì)通信基站信號(hào)的處理等。高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)除了核心的高速DSP技術(shù)外，還包括很多外圍技術(shù)，如ADC、DAC等外圍器件技術(shù)、系統(tǒng)總線技術(shù)等。

DSP（Digital Signal Processor），即數(shù)字信號(hào)處理器，是一種專用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程芯片。它的主要特點(diǎn)是：
①高度的實(shí)時(shí)性，運(yùn)行時(shí)間可以預(yù)測(cè)；
②Harvard體系結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)總線分開（有別于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)）；
③RISC指令集，指令時(shí)間可以預(yù)測(cè)；
④特殊的體系結(jié)構(gòu)，適合于運(yùn)算密集的應(yīng)用場(chǎng)合；
⑤內(nèi)部硬件乘法器，乘法運(yùn)算時(shí)間短、速度快；
⑥高度的集成性，帶有多種存儲(chǔ)器接口和IO互聯(lián)接口；
⑦普遍帶有DMA通道控制器，保證數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算處理并行工作；
⑧低功耗，適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。
DSP有多種分類方式。其中按照數(shù)據(jù)類型分類，DSP被分為定點(diǎn)處理器（如ADI的ADSP218x/9x/BF5xx、TI的TMS320C62/C64）和浮點(diǎn)處理器（如ADI的SHARC/TigerSHARC系統(tǒng)、TI的TMS320C67）。
雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)DSP的要求很高，通常是使用32bit的高端DSP；而且浮點(diǎn)DSP更能滿足雷達(dá)信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍的要求。

高速數(shù)字信號(hào)處理器的硬件設(shè)計(jì)TMS320C2XX系統(tǒng)以一個(gè)典型的TMS320C2XX系統(tǒng)為例，介紹C2XX系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。下圖是該系統(tǒng)的功能框圖：

TMS320C2XX用戶系統(tǒng)中配置了一個(gè)高速TMS320C2XX芯片，64K字的程序存儲(chǔ)器，64K字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，256K位EPROM；采用了一路14位A/D和14位D/A；系統(tǒng)還擴(kuò)展了16根標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，用戶可接按鍵輸入信號(hào)，并可申請(qǐng)INT3中斷；擴(kuò)展了16根標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，用戶可用這些信號(hào)控制液晶顯示。同時(shí)系統(tǒng)提供了3組可擴(kuò)展的輸入、輸出口。

硬件結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：

①具有脫片的、獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。由于采用了改進(jìn)的片外哈佛結(jié)構(gòu)，使處理器能實(shí)現(xiàn)達(dá)16K字節(jié)16位字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址，并對(duì)32K字節(jié)24位字長(zhǎng)具有雙重目的的程序存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的存取。

②具有內(nèi)部指令高速緩沖存儲(chǔ)器。在脫離高速緩沖存儲(chǔ)器執(zhí)行指令時(shí)，16指令芯片級(jí)超高速緩沖存儲(chǔ)器允許處理器并行取兩個(gè)操作數(shù)。由于這個(gè)指令系統(tǒng)支持較高程度的并行處理，許多循環(huán)算法可以按16或低于16的指令有效地進(jìn)行編碼。

③具有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算單元和一個(gè)強(qiáng)有力的程序定序器。三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算單元是：ALU(加法器)、MAC(乘法器/超速存儲(chǔ)器)、桶形移位器。

④具有四級(jí)外部中斷和用于多精度運(yùn)算和飽和邏輯判斷裝置1。

TMS320C6系統(tǒng)'C6201是工作在200MHz下的定點(diǎn)DSP芯片。由于最優(yōu)情況下，它同時(shí)可以執(zhí)行8條指令，故運(yùn)算能力可達(dá)1600MIPS或400MMACS。'C6201采用0.25μm技術(shù)(后續(xù)產(chǎn)品'C6201B和'C6202采用0.18μm技術(shù))，體積小、功耗低，單片功耗只有1.9W。

'C6701是同級(jí)別的一款浮點(diǎn)DSP芯片，其工作頻率為167MHz，也可同時(shí)執(zhí)行8條指令，運(yùn)算能力1336MIPS或1GFLOPS。同樣，'C6701也采用類似的工藝，功耗僅有1.9W。而低端產(chǎn)品'C6211(1200MIPS)則突破了DSP業(yè)界性能價(jià)格比的新記錄，據(jù)1998年TI公司的報(bào)價(jià)，'C6211已達(dá)到了$0.021MIPS。至今，C6x的高端產(chǎn)品'C64x以其1056KB的片內(nèi)SRAM和4800MIPS的運(yùn)算能力更是在通用DSP芯片市場(chǎng)中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。

'C6x擁有大容量的片內(nèi)RAM （64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的64KB的程序存儲(chǔ)器），并通過32比特的EMIF支持SDRAM， SBSRAM，SRAM以及其它的非同步存儲(chǔ)器。由于對(duì)不同類型的存儲(chǔ)器給予了不同的支持，故可以達(dá)到最佳的系統(tǒng)性能。此外'C6x還提供了多通道的DMA操作，用以相對(duì)CPU進(jìn)行后臺(tái)的數(shù)據(jù)存取，DMA的輔助通道還提供了對(duì)主機(jī)端口界面(HPI)的支持，主機(jī)可以通過HPI異步地訪問'C6x內(nèi)外存儲(chǔ)器及外圍設(shè)備。'C6x還為通信提供兩個(gè)多通道、多緩沖的串行口。此外，'C6x也和一般的DSP一樣具備較完善的中斷處理機(jī)制、定時(shí)器結(jié)構(gòu)，并可以以不同的

高速數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用與發(fā)展從我國(guó)引進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)以來，信號(hào)處理各領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用都取得了很大成果。DSP的應(yīng)用己向計(jì)算機(jī)、通訊及數(shù)字視、音頻技術(shù)的各個(gè)方面深入發(fā)展。雖然DSP的芯片系列很多，其指令系統(tǒng)互有差異，但它們的主要特點(diǎn)卻是相似的，如運(yùn)算速度快、芯片功能強(qiáng)、所需外圍器件少。然而，它們也都存在開發(fā)及編程比單片機(jī)較為復(fù)雜的問題。因此，雖然它功能強(qiáng)大，但要大規(guī)模普及和進(jìn)入傳統(tǒng)單片機(jī)所占據(jù)的工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域還須有一個(gè)普及推廣階段。

自1985年第一片數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C10問世以米，DSP發(fā)展人致經(jīng)歷了二個(gè)階段，也形成了目前DSP產(chǎn)品的三個(gè)檔次：第一階段是以TMS320C10/C2x為代表的16bit定點(diǎn)DSP。后來又有了新的型號(hào)，如：ADSP21xx—TMS320C25/C5x/Cxx/C54x等型號(hào)；第一階段推山32bit浮點(diǎn)DSP，代表型號(hào)：ADSP21020—TMS320C3x。最近幾年則推出了并行DSP和超高性能DSP。如ADSP2106x—ADSP21160一TMS320C4X—TMS320C67X。

不同的DSP的應(yīng)用場(chǎng)合也不同。早期的DSP都是定點(diǎn)的，它的成本比較低可以低可以勝任大部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理，但是住某些場(chǎng)合，如雷達(dá)一盧納信號(hào)處理中，數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍很人，按定點(diǎn)處理會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)溢山或者下溢出，嚴(yán)重時(shí)候處理無法進(jìn)行。浮點(diǎn)DSP的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題，它拓展了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范闈，32bit浮點(diǎn)數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍為1536dB，此外浮點(diǎn)DSP只備更大的訪問空間，高級(jí)語(yǔ)言的編澤器也主要面向浮點(diǎn)DSP，如ADSP2106x的C編譯器，直接把C程序編譯以后放到DSP上去運(yùn)行，簡(jiǎn)化了編寫程序的過程2。