DSP與普通MCU的比較

考慮一個數(shù)字信號處理的實例，比如有限沖擊響應濾波器(FIR)。用數(shù)學語言來說，F(xiàn)IR濾波器是做一系列的點積。取一個輸入量和一個序數(shù)向量，在系數(shù)和輸入樣本的滑動窗口間作乘法，然后將所有的乘積加起來，形成一個輸出樣本。

類似的運算在數(shù)字信號處理過程中大量地重復發(fā)生，使得為此設計的器件必須提供專門的支持，促成了了DSP器件與通用處理器(GPP)的分流：

1 對密集的乘法運算的支持

GPP不是設計來做密集乘法任務的，即使是一些現(xiàn)代的GPP，也要求多個指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來處理多個乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱為結果bits的額外bits來避免溢出。同時，為了充分體現(xiàn)專門的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。

2 存儲器結構

傳統(tǒng)上，GPP使用馮.諾依曼存儲器結構。這種結構中，只有一個存儲器空間通過一組總線(一個地址總線和一個數(shù)據(jù)總線)連接到處理器核。通常，做一次乘法會發(fā)生4次存儲器訪問，用掉至少四個指令周期。

大多數(shù)DSP采用了哈佛結構，將存儲器空間劃分成兩個，分別存儲程序和數(shù)據(jù)。它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時對它們進行訪問。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍，更重要的是同時為處理器核提供數(shù)據(jù)與指令。在這種布局下，DSP得以實現(xiàn)單周期的MAC指令。

還有一個問題，即現(xiàn)在典型的高性能GPP實際上已包含兩個片內高速緩存，一個是數(shù)據(jù)，一個是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運行時的訪問速度。從物理上說，這種片內的雙存儲器和總線的結構幾乎與哈佛結構的一樣了。然而從邏輯上說，兩者還是有重要的區(qū)別。

GPP使用控制邏輯來決定哪些數(shù)據(jù)和指令字存儲在片內的高速緩存里，其程序員并不加以指定(也可能根本不知道)。與此相反，DSP使用多個片內存儲器和多組總線來保證每個指令周期內存儲器的多次訪問。在使用DSP時，程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲在片內存儲器中。程序員在寫程序時，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線。

此外，DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)高速緩存。這是因為DSP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流。也就是說，DSP處理器對每個數(shù)據(jù)樣本做計算后，就丟棄了，幾乎不再重復使用。

3 零開銷循環(huán)

如果了解到DSP算法的一個共同的特點，即大多數(shù)的處理時間是花在執(zhí)行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件，用于零開銷循環(huán)。所謂零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時，不用花時間去檢查循環(huán)計數(shù)器的值、條件轉移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計數(shù)器減1。

與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來實現(xiàn)。某些高性能的GPP使用轉移預報硬件，幾乎達到與硬件支持的零開銷循環(huán)同樣的效果。

4 定點計算

大多數(shù)DSP使用定點計算，而不是使用浮點。雖然DSP的應用必須十分注意數(shù)字的精確，用浮點來做應該容易的多，但是對DSP來說，廉價也是非常重要的。定點機器比起相應的浮點機器來要便宜(而且更快)。為了不使用浮點機器而又保證數(shù)字的準確，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計算、舍入和移位。
審核編輯：彭菁