[科普中國]-高速數(shù)字信號處理器

基本概念

高速數(shù)字信號處理技術(shù)是以DSP為核心，具有高速，實時的特點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)字信號處理器，是一種專用于數(shù)字信號處理的可編程芯片。

信號處理的本質(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器所使用的形式。從某種意義上說，信號處理類似于“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)字信號處理器的特點高速實時信號處理是信號處理中的一個特殊分支。它的主要特點是高速處理和實時處理，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)和軍事的關(guān)鍵領(lǐng)域，如對雷達信號的處理、對通信基站信號的處理等。高速實時信號處理技術(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)字信號處理器，是一種專用于數(shù)字信號處理的可編程芯片。它的主要特點是：
①高度的實時性，運行時間可以預(yù)測；
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，指令時間可以預(yù)測；
④特殊的體系結(jié)構(gòu)，適合于運算密集的應(yīng)用場合；
⑤內(nèi)部硬件乘法器，乘法運算時間短、速度快；
⑥高度的集成性，帶有多種存儲器接口和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被分為定點處理器（如ADI的ADSP218x/9x/BF5xx、TI的TMS320C62/C64）和浮點處理器（如ADI的SHARC/TigerSHARC系統(tǒng)、TI的TMS320C67）。
雷達信號處理系統(tǒng)對DSP的要求很高，通常是使用32bit的高端DSP；而且浮點DSP更能滿足雷達信號大動態(tài)范圍的要求。

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

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

硬件結(jié)構(gòu)有如下特點：

①具有脫片的、獨立的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。由于采用了改進的片外哈佛結(jié)構(gòu)，使處理器能實現(xiàn)達16K字節(jié)16位字長的數(shù)據(jù)存儲器的尋址，并對32K字節(jié)24位字長具有雙重目的的程序存儲器實現(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器。在脫離高速緩沖存儲器執(zhí)行指令時，16指令芯片級超高速緩沖存儲器允許處理器并行取兩個操作數(shù)。由于這個指令系統(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的指令有效地進行編碼。

③具有三個獨立的運算單元和一個強有力的程序定序器。三個獨立的運算單元是：ALU(加法器)、MAC(乘法器/超速存儲器)、桶形移位器。

④具有四級外部中斷和用于多精度運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DSP芯片。由于最優(yōu)情況下，它同時可以執(zhí)行8條指令，故運算能力可達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是同級別的一款浮點DSP芯片，其工作頻率為167MHz，也可同時執(zhí)行8條指令，運算能力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)界性能價格比的新記錄，據(jù)1998年TI公司的報價，'C6211已達到了$0.021MIPS。至今，C6x的高端產(chǎn)品'C64x以其1056KB的片內(nèi)SRAM和4800MIPS的運算能力更是在通用DSP芯片市場中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。

'C6x擁有大容量的片內(nèi)RAM （64KB的數(shù)據(jù)存儲器的64KB的程序存儲器），并通過32比特的EMIF支持SDRAM， SBSRAM，SRAM以及其它的非同步存儲器。由于對不同類型的存儲器給予了不同的支持，故可以達到最佳的系統(tǒng)性能。此外'C6x還提供了多通道的DMA操作，用以相對CPU進行后臺的數(shù)據(jù)存取，DMA的輔助通道還提供了對主機端口界面(HPI)的支持，主機可以通過HPI異步地訪問'C6x內(nèi)外存儲器及外圍設(shè)備。'C6x還為通信提供兩個多通道、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制、定時器結(jié)構(gòu)，并可以以不同的

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

自1985年第一片數(shù)字信號處理器TMS320C10問世以米，DSP發(fā)展人致經(jīng)歷了二個階段，也形成了目前DSP產(chǎn)品的三個檔次：第一階段是以TMS320C10/C2x為代表的16bit定點DSP。后來又有了新的型號，如：ADSP21xx—TMS320C25/C5x/Cxx/C54x等型號；第一階段推山32bit浮點DSP，代表型號：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)用場合也不同。早期的DSP都是定點的，它的成本比較低可以低可以勝任大部分數(shù)字信號處理，但是住某些場合，如雷達一盧納信號處理中，數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍很人，按定點處理會發(fā)生數(shù)據(jù)溢山或者下溢出，嚴重時候處理無法進行。浮點DSP的出現(xiàn)解決了這個問題，它拓展了數(shù)據(jù)的動態(tài)范闈，32bit浮點數(shù)的動態(tài)范圍為1536dB，此外浮點DSP只備更大的訪問空間，高級語言的編澤器也主要面向浮點DSP，如ADSP2106x的C編譯器，直接把C程序編譯以后放到DSP上去運行，簡化了編寫程序的過程2。