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-- 發(fā)布時間：2010-11-22 9:23:50
-- DSP技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展
數(shù)字信號處理（DSP,digital signal processing）是一門涉及許多領(lǐng)域的新興學(xué)科，在現(xiàn)代科技發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用。近年來，數(shù)字信號處理理論在不斷取得進步的同時，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進，專用的數(shù)字信號處理器芯片也獲得了飛速發(fā)展。
數(shù)字信號處理器是在模擬信號變換為數(shù)字信號后對數(shù)字信號進行高速實時處理的專用處理器，它具有計算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)點，是實現(xiàn)數(shù)字信號處理的強大工具。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，處理器芯片的處理能力越來越強大，使得信號處理的研究可以主要放在算法和軟件方面，不再像過去那樣需要過多考慮硬件。由于它的出色性能，DSP目前被廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、信號處理、工業(yè)控制、圖像處理等領(lǐng)域。
1 DSP的發(fā)展歷程
在數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的初期（上世紀50～60年代），人們只能在微處理器上完成數(shù)字信號的處理。一般認為，世界上第一個單片DSP芯片是1978年AMI公司發(fā)布的S2811。1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一個具有硬件乘法器的商用DSP芯片，從而被認為是第一塊單片DSP器件。
隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年美國德州儀器公司柜櫥世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品，標志著實時數(shù)字信號處理領(lǐng)域的重大突破。TI公司隨后推出了第二代DSP芯片TMS32020及其系列，至今，TI公司已經(jīng)推出了其第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X、TMS320C64X等芯片。
美國Analog Device公司在DSP芯片市場也有一定的份額，推出了一系列具有自己特色的DSP芯片，如其定點的DSP芯片ADSP2101/2103/2105，ADSP2111/2115，ADSP2161/62/64，浮點DSP有ADSP21000/020、ADSP21060/21062等。
20世紀80年代以來，DSP芯片得到了突飛猛進的發(fā)展，從運算速度來看，MAC（一次乘加運算）時間已經(jīng)從80年代初期的400 ns降到了10 ns以下（如TI公司的TMS32054X、TMS320C62X/67X等），處理能力提高了幾十倍。DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的64個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增加也加強了結(jié)構(gòu)的靈活性[1>。
2 DSP系統(tǒng)和芯片的基本結(jié)構(gòu)
2.1 DSP系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)所需要處理的信號一般為自然條件下的模擬信號，這就需要首先將輸入的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的電信號。這就需要A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）模塊，A/D模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的比特流，輸入給DSP系統(tǒng)，DSP系統(tǒng)對數(shù)字信號進行某種處理之后，一般還需要輸出為模擬信號來供人們使用，所以又用到了D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換）模塊，將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬值。整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。
數(shù)字信號處理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，可重復(fù)性好，可以大規(guī)模集成，使得信號處理功能更復(fù)雜，手段更靈活，精度更高。
2.2 DSP芯片的結(jié)構(gòu)特點[2>
DSP處理芯片，為了適應(yīng)信號處理運算的需要，結(jié)構(gòu)與通用的其他計算機或控制處理器相比，有較大的不同，主要的幾點為：
(1)具有專用的算術(shù)單元，如硬件乘法器，DSP內(nèi)部設(shè)有硬件乘法器來完成乘法操作，以提高乘法速度。
(2)具有特殊的總線結(jié)構(gòu)——哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使DSP具有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，可以同時取地址和操作數(shù)。
(3)流水處理。流水技術(shù)使多個不同的操作可以同時執(zhí)行，處理器內(nèi)將每條指令的執(zhí)行分為取址、解碼、執(zhí)行等階段，不同的階段并行執(zhí)行，提高了程序執(zhí)行的效率和速度。
(4)高速的片內(nèi)存儲器。DSP芯片一般內(nèi)部集成有程序和數(shù)據(jù)存儲器，訪問速度快，緩解總線接口的壓力，提高程序執(zhí)行的速度。
一些其他特殊功能的DSP芯片還具有一些專用的設(shè)計結(jié)構(gòu)，這里不一一列出。總之，DSP功能上的特點很大程度上是針對數(shù)字信號處理算法的特點，針對性地組成專用的結(jié)構(gòu)，以滿足處理的需要。
3 DSP芯片的產(chǎn)品和市場
3.1 應(yīng)用領(lǐng)域和市場
在近20多年的時間里，DSP芯片的應(yīng)用已經(jīng)從軍事、航空航天領(lǐng)域擴大到信號處理、通信、雷達、消費等許多領(lǐng)域。主要應(yīng)用有：信號處理、通信、語音、圖像、軍事、儀器儀表、自動控制、醫(yī)療、家用電器等。
DSP主要應(yīng)用市場為3C（communication、computer、consumer——通信、計算機、消費類）領(lǐng)域，所占市場比例超過90%，并且總體市場規(guī)模在不斷擴大。在數(shù)字化、個人化和網(wǎng)絡(luò)化的推動下，預(yù)計未來的年均增長率高達40%。在全球的DSP市場中，TI公司獨占鰲頭，占世界市場的45%份額，其次是朗訊(28%)、ADI(12%)、摩托羅拉(12%)、其他公司(3%) [3> 。
3.2 世界主要的DSP芯片制造公司及其產(chǎn)品
（1）TI公司。
TI（Texas Instruments）公司在業(yè)界一直處于領(lǐng)先的地位。近年，TI在原來的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基礎(chǔ)上又推出了3種高性價比的DSP系列：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。這3種芯片，在我國的信號處理硬件領(lǐng)域應(yīng)用也是非常廣泛，下面作些簡要介紹：
TMS320C2000系列主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域，提供了全系列的高性能控制芯片，代碼運行效率高。除了較強的控制功能之外，還提供了方便的接口與高性能外圍器件相連。主要型號有TMS320C24X和28X系列。
TMS320C5000系列為高性能的低功耗定點DSP芯片。處理速度最高可以達到900 MIPS，功耗很低，可以達到0.33 mA/MHz。非常適合移動和手持系統(tǒng)的應(yīng)用。主要有TMS320C54X和55X系列。
TMS320C6000系列為新一代高性價比DSP芯片，是高端DSP處理器的代表。C6000系列的DSP定點運算可以達到1200到8 000 MIPS（百萬條指令/秒），浮點運算可以達到600到 1 800 MFLOPS（百萬次浮點操作/秒）的運算速度。主要有定點系列的TMS320C62X和浮點系列的TMS320C67X。TMS320C64X為TI最新推出的高性能定點DSP處理器，時鐘速度提高到1 GHz，單片處理能力可達到8 000 MIPS。
（2）Analog Device公司。
ADI公司的DSP目前主要分為3個系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。
SHARC系列一直在雷達、聲納信號處理等領(lǐng)域享有很高的聲譽，很多商用、軍用的信號處理機中都可以看到SHARC的身影。單片處理能力有限的SHARC之所以能夠在通信信號處理領(lǐng)域有這么高的聲譽，完全是由于ADI優(yōu)秀的片間互連技術(shù)（LINK口），利用這個LINK口可以很方便地將幾片、幾十片SHARC連接起來組成DSP陣列，從而在單片處理能力達不到要求的場所利用DSP陣列就很容易達到了。
Blackfin是近幾年推出的針對性能要求比較高，同時功耗要求又比較低的場所。它所具備的優(yōu)點很適合在便攜式通信產(chǎn)品中應(yīng)用。
TigerSHARC是從SHARC改進的高端DSP，它的出現(xiàn)是ADI公司的DSP在高端領(lǐng)域應(yīng)用開創(chuàng)了歷史性的局面。新推出的第二代TigerSHARC ADSP-TS201S主頻高達600 MHz，處理能力高達14.4 GOPS，還有超大容量的RAM，使它一出世就在高端領(lǐng)域脫穎而出。尤其適合軟件無線電的應(yīng)用。
DSP已經(jīng)發(fā)展成為了一種成熟的技術(shù)，也是一種成熟的產(chǎn)品，它在數(shù)字信息時代占據(jù)越來越重要的位置，所以其市場的擴展還存在著巨大的空間。DSP的性能、價格和功耗是決定其市場的三個重要因素。挑戰(zhàn)更高的性能，盡可能降低價格和功耗，一直是DSP追求的目標。
4 DSP處理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
4.1 國際發(fā)展現(xiàn)狀
簡略國際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DSP research公司，Pentek公司，Motorola公司，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 300 MHz的TMS320C6203芯片，具有19 200 MIPS的處理能力，同時集成了8片32 MB的SDRAM，數(shù)據(jù)吞吐600 MB/s。該公司另一款處理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4 PowerPC處理器，工作頻率400/500 MHz，兩級緩存256K×64 bit，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，可以組成強大的處理器陣列，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Transtech DSP公司的TP-P36N為例，它由4～8片TS101b（TigerSharc）芯片構(gòu)成，時鐘 250 MHz，具有6～12 GFLOPS的處理能力。
DSP應(yīng)用產(chǎn)品獲得成功的一個標志就是進入產(chǎn)業(yè)化。在以往的20年中，這一進程在不斷重復(fù)進行，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)化進程還是需要加速進行。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)化進程。
4.2 我國發(fā)展現(xiàn)狀
隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年來我國的數(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、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)濟建設(shè)創(chuàng)造了很大價值。全國有很多高校、科研機構(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雷達數(shù)字信號處理通用模塊為例，它使用了6片ADSP21060和大規(guī)模可編程器件構(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，實現(xiàn)高速實時雷達數(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33 MHz時鐘下，1 024點處理通過時間為0.7 ms，可以實現(xiàn)單通道數(shù)據(jù)率為1 MHz，雙通道并行工作為2 MHz。
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)59 μs內(nèi)完成512點的FFT，130 μs內(nèi)可以完成1 024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口，這也是我國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域需要大力加強的工作之一。復(fù)雜的大型處理機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)揚勇于拼搏的精神，繼續(xù)的刻苦努力。
5 DSP技術(shù)展望
5.1 向著集成DSP方向發(fā)展
目前的DSP多數(shù)基于RISC（精簡指令集）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是尺寸小、功耗低、性能高。現(xiàn)在各DSP廠紛紛采用新工藝，將幾個DSP核、MPU核、專用處理單元、外圍電路單元和存儲單元集成在一個芯片上，成為DSP系統(tǒng)級集成電路。
5.2 內(nèi)核結(jié)構(gòu)進一步改善
多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重數(shù)據(jù)（SIMD）、超長指令字結(jié)構(gòu)（VLIM）、超標量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴展的超級哈佛結(jié)構(gòu)在高性能處理器將占據(jù)主導(dǎo)地位。
5.3 進一步降低功耗和幾何尺寸
DSP的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴大到人們工作生活的各個領(lǐng)域，特別是便攜式手持產(chǎn)品對于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于進一步降低功耗。隨著CMOS的發(fā)展，提高DSP的運算速度和降低功耗尺寸是完全可能的。
5.4 與可編程器件結(jié)合
DSP在許多新的領(lǐng)域的應(yīng)用要求它借助PLD或FPGA來滿足日益增長的處理要求。與常規(guī)DSP器件相比，F(xiàn)PGA器件配合傳統(tǒng)DSP器件可以處理更多的信道，來滿足無線通信、多媒體等領(lǐng)域的多功能和高性能的需要。