數(shù)字信號(hào)處理器概論

數(shù)字信號(hào)處理（DSP）自1965年由Cooley和Tukey提出DFT（離散傅里葉變換）的高效快速算法（Fourier Transform，簡(jiǎn)稱FFT）以來(lái)，已有近40年的歷史。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已形成一門獨(dú)立的學(xué)科系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理作為一門獨(dú)立學(xué)科是圍繞著三個(gè)方面迅速發(fā)展的：理論、現(xiàn)實(shí)和應(yīng)用。作為數(shù)字信號(hào)理論，一般是指利用經(jīng)典理論（如數(shù)字、信號(hào)與系統(tǒng)分析等）作為基礎(chǔ)而形成的獨(dú)特的信號(hào)處理理論，以及各種快速算法和各類濾波技術(shù)等基礎(chǔ)理論。由此在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域如語(yǔ)音與圖象處理、信息的壓縮與編碼、信號(hào)的調(diào)制與調(diào)解、信道的辨識(shí)與均衡、各種智能控制與移動(dòng)通訊等都延伸出各自的理論與技術(shù)，到目前可以說(shuō)凡是用計(jì)算機(jī)來(lái)處理各類信號(hào)的場(chǎng)合都引用了數(shù)字信號(hào)處理的基本理論、概念和技術(shù)。

數(shù)字化技術(shù)有今天的飛速發(fā)展，是依仗于強(qiáng)大的軟、硬件環(huán)境支撐。作為數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)實(shí)際任務(wù)就是要求能夠快速、高效、實(shí)時(shí)完成處理任務(wù)，這就要通過(guò)通用或?qū)Ｓ玫臄?shù)字信號(hào)處理器來(lái)完成。因此，數(shù)字信號(hào)處理器是用來(lái)完成數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)的一個(gè)軟、硬件環(huán)境和硬件平臺(tái)。

DSP算法及芯片分類

DSP運(yùn)算的基本類型是乘法和累加(MAC)運(yùn)算，對(duì)于卷積、相關(guān)、濾波和FFT基本上都是這一類運(yùn)算。這樣的運(yùn)算可以用通用機(jī)來(lái)完成，但受到其成本和結(jié)構(gòu)的限制不可能有很高的實(shí)時(shí)處理能力。

DSP運(yùn)算的特點(diǎn)是尋址操作。數(shù)據(jù)尋址范圍大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜但很有規(guī)律。例如FFT運(yùn)算，它的蝶形運(yùn)算相關(guān)節(jié)點(diǎn)從相鄰兩點(diǎn)直至跨越N/2間隔的地址范圍，每次變更都很有規(guī)律，級(jí)間按一定規(guī)律排列，雖然要運(yùn)算log2N遍，但每級(jí)的地址都可以預(yù)測(cè)，也就是尋址操作很有規(guī)律而且可以預(yù)測(cè)。這就不同于一般的通用機(jī)，在通用機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，具有很大的隨機(jī)性，這種隨機(jī)尋址方式不是信號(hào)處理器的強(qiáng)項(xiàng)。



可以看出無(wú)論是專用的DSP芯片或通用DSP芯片在結(jié)構(gòu)考慮上都能適應(yīng)DSP運(yùn)算的這些特點(diǎn)。而專用芯片在結(jié)構(gòu)上考慮的更加專業(yè)化，更為合理，因而有更高的運(yùn)算速度。

DSP芯片按用途或構(gòu)成分類可以分為下列幾種類型： 為不同算法而專門設(shè)計(jì)的專用芯片：例如用于做卷積/相關(guān)并具有橫向濾波器結(jié)構(gòu)： INMOS公司的A100、A110；HARRIS公司的HPS43168； PLESSY GEC 公司的PDSP16256等。 用于做FFT： Austek公司的A41102， PLESSY GEC 公司的PDSP16150等。這些都是為做FIR、IIR、FFT運(yùn)算而設(shè)計(jì)的，因而運(yùn)算速度高，但是具有有限的可編程能力，靈活性差。

為某種目的應(yīng)用的專門設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即ASIC系統(tǒng)。它只涉及一種或一種以上自然類型數(shù)據(jù)的處理，例如音頻、視頻、語(yǔ)音的壓縮和解壓，調(diào)制/解調(diào)器等。其內(nèi)部都是由基本DSP運(yùn)算單元構(gòu)建，包括FIR、IIR、FFT、DCT，以及卷積碼的編/解碼器及RS編/解碼器等。其特點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜而且密集，數(shù)據(jù)量、運(yùn)算量都很大。

積木式結(jié)構(gòu)：它是由乘法器、存儲(chǔ)器、控制電路等單元邏輯電路搭接而成，這種結(jié)構(gòu)方式也稱為硬連線邏輯電路。它是一種早期實(shí)現(xiàn)方法，具有成本低、速度高等特點(diǎn)，由于是硬連接因而沒有可編程能力。目前主要用于接收機(jī)的前端某些高頻操作中。

用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程陳列）實(shí)現(xiàn)DSP的各種功能。實(shí)質(zhì)上這也是一種硬連接邏輯電路，但由于有現(xiàn)場(chǎng)可編程能力，允許根據(jù)需要迅速重新組合基礎(chǔ)邏輯來(lái)滿足使用要求，因而更加靈活，而且比通用DSP芯片具有更高的速度。一些大的公司如 Xinlinx、Altera也正把FPGA產(chǎn)品擴(kuò)展到DSP應(yīng)用中去。

通用可編程DSP芯片：這是目前用得最多的數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用器件，其特點(diǎn)本文將予以詳細(xì)討論。

片上系統(tǒng)Soc(System on Chip)，這是數(shù)字化應(yīng)用及微電子技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，是下一代基于DSP產(chǎn)品的主要發(fā)展方向之一。它把一種應(yīng)用系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上。通常，為滿足系統(tǒng)的性能要求和提高功率效率，會(huì)把DSP和MCU的多處理器處理平臺(tái)集成在一起。圖1 是由TI公司推出的開放多媒體應(yīng)用平臺(tái)（OMAP），用來(lái)支持2.5G和3G應(yīng)用而設(shè)計(jì)的處理器體系結(jié)構(gòu)，它支持語(yǔ)音、音頻、圖像和視頻信號(hào)處理應(yīng)用的各種性能。其中關(guān)鍵器件有：低功耗的DSP芯片，用來(lái)做媒體處理；MCU用來(lái)支持應(yīng)用操作系統(tǒng)及以控制為核心的應(yīng)用處理；MTC是內(nèi)存和流量控制器，確保處理器能高效訪問外部存儲(chǔ)區(qū)，避免產(chǎn)生瓶頸現(xiàn)象，提高整個(gè)平臺(tái)的處理速度。

DSP對(duì)MCU性能上的改進(jìn)

對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器可以確切的下這樣的定義：解決實(shí)時(shí)處理要求，適合DSP運(yùn)算需求的單片可編程微處理器芯片。原理上說(shuō)通用微機(jī)、單片機(jī)都可以用來(lái)做信號(hào)處理的硬件平臺(tái)，但作為DSP實(shí)時(shí)處理要求必須滿足大數(shù)據(jù)量、復(fù)雜計(jì)算、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的各種運(yùn)算，因而DSP芯針對(duì)DSP算法特點(diǎn)做了以下幾方面的改進(jìn)：

運(yùn)算能力上的擴(kuò)充

采用專用的硬件乘法器，有足夠的字長(zhǎng)，乘法結(jié)果保留全部數(shù)值，用雙字長(zhǎng)乘法存儲(chǔ)器，同時(shí)可以用來(lái)做雙精度運(yùn)算。

自動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)地址

通用處理器由ALU產(chǎn)生地址，在DSP中專門有地址產(chǎn)生單元，通過(guò)程序循環(huán)，自動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)地址，這一單元本身也是一個(gè)微處理器，可以通過(guò)編程產(chǎn)生復(fù)雜的非順序地址（例如FFT中的倒位序地址產(chǎn)生）。

指令時(shí)序的產(chǎn)生不對(duì)其他運(yùn)算單元造成額外開銷

指令時(shí)序是可編程的，在遇到執(zhí)行程序轉(zhuǎn)移和循環(huán)時(shí)，不會(huì)額外增加開銷。

簡(jiǎn)單比例定標(biāo)運(yùn)算得到寬的動(dòng)態(tài)范圍

一般DSP芯片中都有桶形移位器，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整數(shù)據(jù)輸出寬度，特別是在做浮點(diǎn)和塊浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，免去主處理器作多次移位和旋轉(zhuǎn)操作。

審核編輯：湯梓紅