DSP

DSP微處理器

DSP芯片

DSP芯片DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)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(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點(diǎn)：（1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；（3）片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；（4）具有低開(kāi)銷或無(wú)開(kāi)銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；（6）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；（7）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；（8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP微處理器（芯片）的其他通用功能相對(duì)較弱些。DSP優(yōu)點(diǎn)：對(duì)元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部參與影響?。蝗菀讓?shí)現(xiàn)集成；VLSI 可以時(shí)分復(fù)用，共享處理器；方便調(diào)整處理器的系數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波；可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級(jí)聯(lián)、易于存儲(chǔ)等；可用于頻率非常低的信號(hào)。DSP缺點(diǎn)：需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒(méi)有無(wú)源設(shè)備可靠。但是其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)缺點(diǎn)。

DSP技術(shù)的應(yīng)用

語(yǔ)音處理：語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音增強(qiáng)、語(yǔ)音郵件、語(yǔ)音儲(chǔ)存等。圖像/圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識(shí)別、動(dòng)畫(huà)、機(jī)器人視覺(jué)、多媒體、電子地圖、圖像增強(qiáng)等。軍事；保密通信、雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、全球定位、跳頻電臺(tái)、搜索和反搜索等。儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、地震處理等。自動(dòng)控制：控制、深空作業(yè)、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等。醫(yī)療：助聽(tīng)、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)、心電圖等。家用電器：數(shù)字音響、數(shù)字電視、可視電話、音樂(lè)合成、音調(diào)控制、玩具與游戲等。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理舉例：CT機(jī)示例CT：計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影裝置。（其中發(fā)明頭顱CT英國(guó)EMI公司的豪斯菲爾德獲諾貝爾獎(jiǎng)。）CAT:計(jì)算機(jī)X射線空間重建裝置。出現(xiàn)全身掃描，心臟活動(dòng)立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。

心電圖分析

基于DSP的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的非智能閉路電視（CCTV）系統(tǒng)，其缺點(diǎn)十分明顯。這樣的系統(tǒng)或者需要安保人員實(shí)時(shí)監(jiān)視畫(huà)面以捕捉關(guān)鍵事件，或者需要在事后對(duì)視頻記錄進(jìn)行回放并進(jìn)行人工分析，耗時(shí)耗力，成本高而效率低。近幾年，DSP在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)方面的應(yīng)用不斷完善，正在逐漸取代傳統(tǒng)的模擬非智能系統(tǒng)。iSuppli公司2006年的一份分析報(bào)告曾指出，IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)市場(chǎng)到2010年將增長(zhǎng)近十倍。 IP監(jiān)控的創(chuàng)新技術(shù)之一是“智能攝像機(jī)”，它擁有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器，能探測(cè)威脅并觸發(fā)自動(dòng)響應(yīng)?？梢?jiàn)，DSP芯片是智能監(jiān)控的核心。
基于DSP的語(yǔ)音實(shí)時(shí)變速系統(tǒng)

在外語(yǔ)多媒體教學(xué)中，要求對(duì)語(yǔ)速進(jìn)行快慢控制，以適應(yīng)不同程度學(xué)生的需求。然而，傳統(tǒng)的語(yǔ)音變速產(chǎn)品往往在教師改變語(yǔ)速的同時(shí)，也改變了原說(shuō)話者的語(yǔ)調(diào)，不能達(dá)到教學(xué)的真正目的。因此，語(yǔ)音變速系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備調(diào)整語(yǔ)速的同時(shí)，還需要保證原說(shuō)話者語(yǔ)調(diào)保持不變的特點(diǎn)。基于DSP（TMS320C5409）的語(yǔ)音實(shí)時(shí)變速系統(tǒng)能夠任意調(diào)整語(yǔ)音語(yǔ)速，達(dá)到外語(yǔ)多媒體教學(xué)的需求。

DSP發(fā)展軌跡

DSP產(chǎn)業(yè)在約40年的歷程中經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段，DSP意味著數(shù)字信號(hào)處理，并作為一個(gè)新的理論體系廣為流行；隨著這個(gè)時(shí)代的成熟，DSP進(jìn)入了發(fā)展的第二階段，在這個(gè)階段，DSP代表數(shù)字信號(hào)處理器，這些DSP器件使我們生活的許多方面都發(fā)生了巨大的變化；接下來(lái)又催生了第三階段，這是一個(gè)賦能(enablement)的時(shí)期，我們將看到DSP理論和DSP架構(gòu)都被嵌入到SoC類產(chǎn)品中。” 第一階段，DSP意味著數(shù)字信號(hào)處理 。 80年代開(kāi)始了第二個(gè)階段，DSP從概念走向了產(chǎn)品，TMS32010所實(shí)現(xiàn)的出色性能和特性備受業(yè)界關(guān)注。方進(jìn)先生在一篇文章中提到，新興的DSP業(yè)務(wù)同時(shí)也承擔(dān)著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，究竟向哪里拓展是生死攸關(guān)的問(wèn)題。當(dāng)設(shè)計(jì)師努力使DSP處理器每MIPS成本降到了適合于商用的低于10美元范圍時(shí)，DSP在軍事、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中不斷獲得成功。到1991年，TI推出價(jià)格可與16位微處理器不相上下的DSP芯片，首次實(shí)現(xiàn)批量單價(jià)低于5美元，但所能提供的性能卻是其5至10倍。 到90年代，多家公司躋身DSP領(lǐng)域與TI進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。TI首家提供可定制 DSP——cDSP，cDSP 基于內(nèi)核 DSP的設(shè)計(jì)可使DSP具有更高的系統(tǒng)集成度，大加速了產(chǎn)品的上市時(shí)間。同時(shí)，TI瞄準(zhǔn)DSP電子市場(chǎng)上成長(zhǎng)速度最快的領(lǐng)域。到90年代中期，這種可編程的DSP器件已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信、海量存儲(chǔ)、語(yǔ)音處理、汽車電子、消費(fèi)類音頻和視頻產(chǎn)品等等，其中最為輝煌的成就是在數(shù)字蜂窩電話中的成功。這時(shí)，DSP業(yè)務(wù)也一躍成為TI最大的業(yè)務(wù)，這個(gè)階段DSP每MIPS的價(jià)格已降到10美分到1美元的范圍。 21世紀(jì)DSP發(fā)展進(jìn)入第三個(gè)階段，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，TI及時(shí)調(diào)整DSP發(fā)展戰(zhàn)略全局規(guī)劃，并以全面的產(chǎn)品規(guī)劃和完善的解決方案，加之全新的開(kāi)發(fā)理念，深化產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。成就這一進(jìn)展的前提就是DSP每MIPS價(jià)格目標(biāo)已設(shè)定為幾個(gè)美分或更低。

DSP未來(lái)發(fā)展

ADSP產(chǎn)品

１、數(shù)字信號(hào)處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善，多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù)(SIMD)、特大指令字組(VLIM)將在新的高性能處理器中將占主導(dǎo)地位，如Analog Devices的 ADSP-2116x。ADSP產(chǎn)品２、DSP 和微處理器的融合：微處理器是低成本的，主要執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器能很好執(zhí)行智能控制任務(wù)，但是數(shù)字信號(hào)處理功能很差。而DSP的功能正好與之相反。在許多應(yīng)用中均需要同時(shí)具有智能控制和數(shù)字信號(hào)處理兩種功能，如數(shù)字蜂窩電話就需要監(jiān)測(cè)和聲音處理功能。因此，把DSP和微處理器結(jié)合起來(lái)，用單一芯片的處理器實(shí)現(xiàn)這兩種功能，將加速個(gè)人通信機(jī)、智能電話、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小PCB體積，降低功耗和整個(gè)系統(tǒng)的成本。例如，有多個(gè)處理器的Motorola公司的DSP5665x，有協(xié)處理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能擴(kuò)展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的產(chǎn)品?；ヂ?lián)網(wǎng)和多媒體的應(yīng)用需要將進(jìn)一步加速這一融合過(guò)程。3、DSP 和高檔CPU的融合：大多數(shù)高檔GPP如Pentium 和PowerPC都是SIMD指令組的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，速度很快。LSI Logic 公司的LSI401Z采用高檔CPU的分支預(yù)示和動(dòng)態(tài)緩沖技術(shù)，結(jié)構(gòu)規(guī)范，利于編程，不用擔(dān)心指令排隊(duì)，使得性能大幅度提高。Intel公司涉足數(shù)字信號(hào)處理器領(lǐng)域?qū)?huì)加速這種融合。4、DSP 和SOC的融合：SOCSOC(System-On-Chip)是指把一個(gè)系統(tǒng)集成在一塊芯片上。

SOC

這個(gè)系統(tǒng)包括DSP 和系統(tǒng)接口軟件等。比如Virata公司購(gòu)買了LSI Logic公司的ZSP400處理器內(nèi)核使用許可證，將其與系統(tǒng)軟件如USB、10BASET、以太網(wǎng)、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，應(yīng)用在xDSL上，得到了很好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，SOC芯片近幾年銷售很好，由1998年的1.6億片猛增至1999年的3.45億片。1999年，約39%的SOC產(chǎn)品應(yīng)用于通訊系統(tǒng)。今后幾年，SOC將以每年31%的平均速度增長(zhǎng)，到2004年將達(dá)到13億片。毋庸置疑，SOC將成為市場(chǎng)中越來(lái)越耀眼的明星。5、DSP 和FPGA的融合：FPGA是現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列器件。它和DSP集成在一塊芯片上，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理，大大提高信號(hào)處理速度。據(jù)報(bào)道，Xilinx 公司的Virtex-II FPGA對(duì)快速傅立葉變換(FFT)的處理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供編程。Xilinx公司開(kāi)發(fā)出一種稱作Turbo卷積編譯碼器的高性能內(nèi)核。設(shè)計(jì)者可以在FPGA中集成一個(gè)或多個(gè)Turbo內(nèi)核，它支持多路大數(shù)據(jù)流，以滿足第三代(3G)WCDMA無(wú)線基站和手機(jī)的需要，同時(shí)大大WCDMA無(wú)線基站節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在無(wú)線通信、多媒體等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛應(yīng)用。