DSP 簡介

1． 什麼是DSP晶片
    DSP晶片，也稱數字訊號處理器，是一種具有特殊結構的微處理器。DSP晶片的內部採用程式和資料分開的哈佛結構，具有專門的硬體乘法器，廣泛採用流水線操作，提供特殊的DSP 指令，可以用來快速地實現各種數字訊號處理演算法。根據數字訊號處理的要求，DSP晶片一般具有如下的一些主要特點：
（1） 在一個指令週期內可完成一次乘法和一次加法。
（2） 程式和資料空間分開，可以同時訪問指令和資料。
（3） 片內具有快速RAM，通常可通過獨立的資料匯流排在兩塊中同時訪問。
（4） 具有低開銷或無開銷迴圈及跳轉的硬體支援。
（5） 快速的中斷處理和硬體I/O支援。
（6） 具有在單週期內操作的多個硬體地址產生器。
（7） 可以並行執行多個操作。
（8） 支援流水線操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。
與通用微處理器相比，DSP晶片的其他通用功能相對較弱些。

2. DSP晶片的發展
    世界上第一個單片DSP晶片是1978年AMI公司宣佈的S2811，1979年美國Iintel公司釋出的商用可程式設計期間2920是DSP晶片的一個主要里程碑。這兩種晶片內部都沒有現代DSP晶片所必須的單週期晶片。 1980年。日本NEC公司推出的μPD7720是第一個具有乘法器的商用DSP 晶片。第一個採用CMOS工藝生產浮點DSP晶片的是日本的Hitachi 公司，它於1982年推出了浮點DSP晶片。1983年，日本的Fujitsu公司推出的MB8764，其指令週期為120ns ，且具有雙內部匯流排，從而處理的吞吐量發生了一個大的飛躍。而第一個高效能的浮點DSP晶片應是AT&T公司於1984年推出的DSP32。
    在這麼多的DSP晶片種類中，最成功的是美國德克薩斯儀器公司（Texas Instruments，簡稱TI）的一系列產品。TI公司災982年成功推出啟迪一代DSP晶片TMS32010及其系列產品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之後相繼推出了第二代DSP晶片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP晶片TMS32C30/C31/C32，第四代DSP晶片TMS32C40/C44，第五代DSP晶片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多個DSP於一體的高效能DSP晶片TMS32C80/C82等。
    自1980年以來，DSP晶片得到了突飛猛進的發展，DSP晶片的應用越來越廣泛。從運算速度來看，MAC（一次乘法和一次加法）時間已經從80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），處理能力提高了10多倍。DSP晶片內部關鍵的乘法器部件從1980年的佔模區的40左右下降到5以下，片內RAM增加一個數量級以上。從製造工藝來看，1980年採用4μ的N溝道MOS工藝，而現在則普遍採用亞微米CMOS工藝。DSP晶片的引腳數量從1980年的最多64個增加到現在的200個以上，引腳數量的增加，意味著結構靈活性的增加。此外，DSP晶片的發展，是DSP系統的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。

3. DSP晶片的分類
    DSP的晶片可以按照以下的三種方式進行分類。
（1）按基礎特性分
    這是根據DSP晶片的工作時鐘和指令型別來分類的。如果DSP晶片在某時脈頻率範圍內的任何頻率上能正常工作，除計算速度有變化外，沒有效能的下降，這類DSP晶片一般稱之為靜態DSP晶片。
    如果有兩種或兩種以上的DSP晶片,它們的指令集和相應的機器程式碼機管腳結構相互相容,則這類DSP晶片稱之為一致性的DSP晶片。
（2）按資料格式分
    這是根據DSP晶片工作的資料格式來分類的。資料以定點格式工作的DSP晶片稱之為定點DSP晶片。以浮點格式工作的稱為DSP晶片。不同的浮點DSP晶片所採用的浮點格式不完全一樣，有的DSP晶片採用自定義的浮點格式，有的DSP晶片則採用IEEE的標準浮點格式。
（3）按用途分
    按照DSP晶片的用途來分，可分為通用型DSP晶片和專用型的DSP晶片。通用型DSP晶片適合普通的DSP應用，如TI公司的一系列DSP晶片。專用型DSP晶片市為特定的DSP運算而設計，更適合特殊的運算，如數字濾波，卷積和FFT等。

4. DSP晶片的基本結構
DSP晶片的基本結構包括：
（1）哈佛結構。哈佛結構的主要特點是將程式和資料儲存在不同的儲存空間中，即程式儲存器和資料儲存器是兩個相互獨立的儲存器，每個儲存器獨立編址，獨立訪問。與兩個儲存器相對應的是系統中設定了程式匯流排和資料匯流排，從而使資料的吞吐率提高了一倍。由於程式和儲存器在兩個分開的空間中，因此取指和執行能完全重疊。
（2）流水線操作。流水線與哈佛結構相關，DSP晶片廣泛採用流水線以減少指令執行的時間，從而增強了處理器的處理能力。處理器可以並行處理二到四條指令，每條指令處於流水線的不同階段。
（3）專用的硬體乘法器。乘法速度越快，DSP處理器的效能越高。由於具有專用的應用乘法器，乘法可在一個指令週期內完成。
（4）特殊的DSP指令。特殊的DSP指令DSP晶片是採用特殊的指令。
（5）快速的指令週期。快速的指令週期哈佛結構、流水線操作、專用的硬體乘法器、特殊的DSP指令再加上積體電路的優化設計可使DSP晶片的指令週期在200ns以下。

5. DSP系統的特點
    數字訊號處理系統是以數字訊號處理為基礎，因此具有數字處理的全部特點：
（1） 介面方便。DSP系統與其它以現代數字技術為基礎的系統或裝置都是相互相容，這樣的系統介面以實現某種功能要比模擬系統與這些系統介面要容易的多。
（2） 程式設計方便。DSP系統種的可程式設計DSP晶片可使設計人員在開發過程中靈活方便地對軟體進行修改和升級。
（3） 穩定性好。DSP系統以數字處理為基礎，受環境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高。
（4） 精度高。16位數字系統可以達到的精度。
（5） 可重複性好。模擬系統的效能受元器件引數效能變化比較大，而數字系統基本上不受影響，因此數字系統便於測試，除錯和大規模生產。
（6） 整合方便。DSP系統中的數字部件有高度的規範性，便於大規模整合。

6. DSP晶片的應用
        現代數字訊號處理器是執行高速數字訊號處理的IC電路、它恰好適應多媒體資訊化社會需求，迅速發展壯大。如今，世界電子器件市上，各種各樣的DSP器件已相當豐富。大大小小封裝形式的DSP器件，已廣泛應用於各種產品的生產領域，而且DSP的應用領域仍在不斷地擴大，發展迅速異常。
（1）數字化行動電話
　　數字化行動電話儘管花樣繁雜，但基本上可劃為兩大類：高速行動電話和低速行動電話。其中，高速行動電話顧名思義是在高速移動體裡使用的電話，諸如可在飛機、輪船和汽車等裡自由通話的電話。雖然數字化高速移動通過標準很多，但當今普遍應用的是歐洲GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）標準。自從推出數字化蜂窩式電話機以來，現已遍佈全球70多個國家廣泛應用。俗稱GSM標準的數字化蜂窩電話，叫作數字化大哥大，它具備國際漫遊（Roaming）功能，SIMC（SubscriberIdentificationModuleCard）給使用者帶來使用大哥大的方便。現正在擴充套件資料通訊服務能力以及它與ISDN系統相容性，例如，英國BT公司的Cellnet部已經利用GSM提供數字化資料和傳真服務，於是東芝膝上型電腦也安上了數字化的大哥大。
        低速行動電話就其實質而論。它是數字化無繩電話，仍然保持模擬式無繩電話的子母式結構：子機亦稱為手機，可以距母機為百米左右半徑內的空間裡自由步行移動情況下實現通話；母機也稱為基地站，可作為家庭裡的留守電話，也可懸掛在商店的牆壁上，街道的電線柱上，廣為分佈。由統一的交換設施進行管理，實現無縫交遞（SeamlessHandOn）功能。這類低速行動電話式標準很多。例如，歐洲較為普遍應用的DECI（DigitalEuropeanCordlessTelecommunictaion），日本、韓國、東南亞應用的PHS（PersonalHandy－phoneSystem）以及Philips和我國聯合開發的DCCT（DigitalChinaCordlessTelephone）。其中，尤以PHS和DECT制式低速行動電話發展較快，我國的DCCT由於缺乏關鍵性的DSP技術仍處於設計階段。
　　數字化行動電話（包括高速和低速）的每個手機，都要用至少1個DSP器，因此，高速發展的數字化行動電話急需極為大量的DSP器件。
（2）資料調變解調器
　　從所周知，數字訊號處理器的傳統應用領域之一，就是調變解調器。如今，調變解調器作為聯絡通訊與多媒體資訊處理系統的紐帶，日益受到重視。特別是近年來Internet熱潮，方興未艾，普通百姓在Internet上衝浪蔚然成風。利用PC機通過調變解調器經由電話線路，實現撥號連線Internet已是最簡便的訪問形式。由於Internet使用者急劇增加，一度致使28．8Kbps的調變解調器成為市場上的脫銷產品。特別是由PC機上利用瀏覽程式呼叫活動影像資訊時，期望使用資料傳送速度更高的調變解調器。為適應這種新需求，國際上已制訂出高速（33．6Kbps）調變解調器國際標準。這就意味，在高速調變解調器裡需要更高效能的DSP器件。這種33．6Kbps的調變解調器（V．34）
是為傳送資料而設計的，在此基礎上發展出DSVD調變解調器，它既可傳送資料又可傳送聲音。無疑，這樣一來將需要更高功能的DSP器件。
　　隨著高效能調變解調器不斷出現，似乎低速的調變解調器如像V．17（14．4Kbps）再也沒有用武之地。事實上，剛剛相反，如今資訊家電抬頭，例如PHS母機留守電話與個人FAX一體化的產品大量上市。這就是說，V．17（14．4Kbps）型的調變解調器仍有市場。於是，各種調變解調器裡要求的DSP也是多種多樣的。
（3）磁碟／光碟控制器需求
　　隨著多媒體資訊化的發展，各種資訊儲存媒體產品都應運而生，諸如磁碟儲存器、CD－ROM和DVD（DigitalVersatileDisk）－ROM新產品紛紛上市。今日的磁碟驅動器HDD，儲存容量已相當可觀，大型HDD姑且不談，就連普通PC機的HDD的儲存容量已高在1GB以上，詳見照片4。小型HDD向高密度、高儲存容量和高速存取方向發展，其控制器必須具備高精度和高速響應特性，它所用的DSP效能也是今非昔比，高速DSP是必不可少的關鍵性器件。
　　日本的HDD技術不能超過美國，於是把主攻方向集中到光碟技術，在1996年日本第35屆ElectronicsShow＇96上，終於把DVD－ROM產品公佈於眾。而且，日本並不以此為滿足，志在奪取可擦寫的DVD－RAM。僅就DVD－ROM而論，單面1片12cm碟片記錄4．7GB資訊量，相當於直徑12cm的軟盤FD片3200張之多，比CD－ROM儲存容量高出6倍。如此高密度的DVD－ROM，讀出控制的精細程度可想而知。
　　HDD和光碟機的控制器裡之所以必須利用高速DSP，主要是利用其高速"積和"處理能力。因為，碟片旋轉控制、磁頭定位控制和光碟中的鐳射束聚焦控制，都是採數字伺服與系統控制技術。這是現在控制技術，建立在數學模型基礎之上。通過複雜的矩陣運算實現控制。沒有高速運算的DSP，是絕對不行的。
（4）圖形影像處理需求
　　DVD裡應用的活動影像壓縮／解壓縮用MPEG2編碼／譯碼器，同時也廣泛地應用於視訊點播VOD、高品位有線電視和衛星廣播等諸多領域。在這些領域裡，應用的DSP應該具備更高的處理速度和功能。而且，活動影像壓縮／解壓技術也日新月異，例如，DCT變換域編碼很難提高壓縮比與重構影像質量，於是出現了對以視覺感知特性為指導的小波分析影像壓縮方法。新的演算法出現，要求相應的高效能DSP。最近，日本各大學和高技術企業對於開發虛擬現實VR系統，投入相當力量，利用現代計算機影像學CG生成3維圖形，迫切需要多個DSP並行處理系統。其中，系統裡的結點DSP單元，要求採用與並行處理相適應的體系結構。
　　彩色靜止影像壓縮／解壓，現在普遍應用JPEG標準，其核心演算法也是離散餘弦變換。JPEG編碼／譯碼器的應用，除了數字化照像機之外，估計彩色印表機和彩色掃描器也將要應用。因此，對於普通DSP的用量，必將日益增長。
（5）汽車電子系統及其它應用領域
　　汽車電子系統日益興旺發達起來，諸如裝設紅外線和毫米波雷達，將需用DSP進行分析。如今，汽車愈來愈多，防衝撞系統已成為研究熱點。而且，利用攝像機拍攝的影像資料需要經過DSP處理，才能在駕駛系統裡顯示出來，供駕駛人員參考。
　　應用DSP的領域可以說是不勝列舉，電視會議系統裡，也大量應用DSP器件。視聽機器裡也都應用DSP。隨著科學技術的發展，將會出現許許多多的DSP新應用領域。