浅谈对DSP的认识和DSP发展前景

浅谈对DSP的认识和DSP发展前景

姓名：曾长富学号200810801182

概念的理解

DSP一方面是Digital Signal Processing的缩写，意思是数字信号处理，就是指数字信号理论研究。DSP另一方面是Digital Signal Processor，意思是数字信号处理器，就是用来完成数字信号处理的器件。

DSP的发展概况

最初的DSP器件只是被设计成用以完成复杂数字信号处理的算法。DSP器件紧随着数字信号理论的发展而不断发展。在20世纪60年代，数字信号处理技术才刚刚起步。60年代中期以后，快速傅里叶算法的出现及大规模集成电路的发展大大促进了DSP技术与器件的飞速发展。DSP器件的发展大致可分为三个阶段：（1）1980年前后的雏形阶段。（2）1990年前后的成熟阶段。（3）2000年之后的完善阶段

DSP器件的特点

1．高速、高精度运算能力

（1）硬件乘法累加操作，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

（2）哈弗结构和流水线结构。哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。使取指、译码和执行等操作可以重叠执行，处理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。

（3）硬件循环控制。大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。

（4）特殊的寻址模式。DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对FFT很有用）。

（5）具有丰富的外设。DSP具有DMA（有一组或多组独立的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达800Mbyte/s以上）、串口、定时器等外设。

2．强大的数据通信能力。

3．灵活的可编程性。DSP骗内设置RAM和ROM，可以方便地拓展程序、数据及I/O空间，同时允许ROM和RAM直接数据传送。可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级

4．低功耗设计。DSP可以工作在省电状态，节省了能源。

DSP处理器与通用处理器（GPP）的比较

1 对密集的乘法运算的支持。GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做一次乘法。而DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。DSP处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常比其他寄存器宽，增加称为结果bits的额外bits来避免溢出。同时，为了充分体现专门的乘法-累加硬件的好处，几乎所有的DSP的指令集都包含有显式的MAC指令。

2 存储器结构。传统上，GPP使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中，只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一个数据总线）连接到处理器核。通常，做一次乘法会发生4次存储器访问，用掉至少四个指令周期。

大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下，DSP得以实现单周期的MAC指令。

还有一个问题，即现在典型的高性能GPP实际上已包含两个片内高速缓存，一个是数据，一个是指令，它们直接连接到处理器核，以加快运行时的访问速度。从物理上说，这种片内的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结构的一样了。然而从逻辑上说，两者还是有重要的区别。

GPP使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片内的高速缓存里，其程序员并不加以指定（也可能根本不知道）。与此相反，DSP使用多个片内存储器和多组总线来保证每个指令周期内存储器的多次访问。在使用DSP时，程序员要明确地控制哪些数据和指令要存储在片内存储器中。程序员在写程序时，必须保证处理器能够有效地使用其双总线。

此外，DSP处理器几乎都不具备数据高速缓存。这是因为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理器对每个数据样本做计算后，就丢弃了，几乎不再重复使用。

3 零开销循环

如果了解到DSP算法的一个共同的特点，即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。

与此相反，GPP的循环使用软件来实现。某些高性能的GPP使用转移预报硬件，几乎达到与硬件支持的零开销循环同样的效果。

4 定点计算

大多数DSP使用定点计算，而不是使用浮点。虽然DSP的应用必须十分注意数字的精确，用浮点来做应该容易的多，但是对DSP来说，廉价也是非常重要的。定点机器比起相应的浮点机器来要便宜（而且更快）。为了不使用浮点机器而又保证数字的准确，DSP处理器在指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。

5 专门的寻址方式

DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对FFT很有用）。这些非常专门的寻址模式在GPP中是不常使用的，只有用软件来实现。

DSP器件的应用

自从DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。DSP芯片高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在短短的十多年时间，DSP芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP芯片的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP 芯片的应用主要有：

（1）信号处理--如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。

（2）通信--如，调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。

（3）语音--如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。

（4）图像/图形--如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。

（5）军事--如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。

（6）仪器仪表--如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。

（7）自动控制--如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。

（8）医疗--如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。

（9）家用电器--如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等

DSP的发展前景

DSP的功能越来越强，应用越来越广，达到甚至超过了微控制器的功能，比微控制器做得更好而且价格更便宜，许多家电用第二代DSP来控制大功率电机就是一个很好的例子。汽车、个人通信装置、家用电器以及数以百万计的工厂使用DSP系统。数码相机、IP电话和手持电子设备的热销带来了对DSP芯片的巨大需求。而手机、PDA、MP3播放器以及手提电脑等则是设备个性化的典型代表，这些设备的发展水平取决于DSP的发展。新的形势下，DSP面临的要求是处理速度更高，功能更多更全，功耗更低，存储器用量更少。DSP的技术发展将会有以下一些走势：

（1）系统级集成DSP是潮流。小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP

芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。

（2）追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸。由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。同时由于DSP的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域，特别是便携式手持产品对于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于进一步降低功耗。按照CMOS的发展趋势，依靠新工艺改进芯片结构，DSP运算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。

（3）DSP的内核结构进一步改善。DSP的结构主要是针对应用，并根据应用优化DSP设计以极大改进产品的性能。多通道结构和单指令多重数据、超长指令字结构、超标量结构、超流水结构、多处理、多线程及可并行扩展的超级哈佛结构(SHARC)在新的高性能处理器中将占据主导地位。

（4）DSP嵌入式系统。DSP嵌入式系统是 DSP系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统。这种系统既具有DSP器件在数据处理方面的优势，又具有应用目标所需要的技术特征。在许多嵌入式应用领域，既需要在数据处理方面具有独特优势的DSP，也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器(MCU)。因此，将DSP 与MCU融合在一起的双核平台，将成为DSP技术发展的一种新潮流。

DSP的发展非常迅速，而销售价格逐年降低目前DSP的结构、总线、资源和接口技术都趋于标准化，尤其接口的标准化进展更快。这给从事系统设计的工程技术人员带来很大机遇，采用先进的DSP将会使开发的产品具有更强的市场竞争力。