DSP工程師的經驗分享 - 全文

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　　我是已經從事DSP開發(fā)有幾年了，看到許多朋友對DSP的開發(fā)非常感興取，我結合這幾年對DSP的開發(fā)寫一寫自己的感受，一家之言，歡迎指教。我上研究生的第一天起根據(jù)老板的安排就開始接觸DSP，那時DSP開發(fā)在國內高校剛剛開始，一臺DSP開發(fā)器接近一萬還是ISA總線的，我從206開始240、2407A都作過產品，對5402、2812、5471在產品方案規(guī)劃制定和論證時也研究過。由于方向所限對6X、8X系列沒有接觸。

　　我發(fā)現(xiàn)在國內無論在公司或高校許多地方為了加快開發(fā)周期往往把一個產品開發(fā)分為硬件和軟件兩個相對獨立部分，由不同的人完成。這在具有一定技術和管理基礎的公司，由總設計師統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調，分任務并行完成的情況下是可行的，也是符合現(xiàn)代產品開發(fā)規(guī)律的。但是在高校人員的流動很大，研究生的有效科研時間很短、基礎差(許多研究生起步時對電熔、電阻、三極管的分類和選型都很困難，我也是這樣過來的)更不用說系統(tǒng)規(guī)劃設計了，況且許多老板自己也不太懂，師兄有自己的任務，他們搞明白時也畢業(yè)了。在許多高校做DSP就是找一個算法加到自己的主程序里，在板子上跑一下，基本達到效果就可以了，至于可靠性是次要的，產業(yè)化無從談起，這已經算不錯的了。

　　其實我覺得一個系統(tǒng)的完成，系統(tǒng)的規(guī)劃是最重要的，在規(guī)劃時對硬件設計的知識和認識是決定性的，它可以讓你知道什么是可行的，什么是不可行的，當你同時具有軟件設計能力時，就可以合理的分配系統(tǒng)功能，完成使用VHDL進行系統(tǒng)行為描述-—系統(tǒng)功能劃分—— 系統(tǒng)子結構設計這樣的自頂向下的設計規(guī)劃流程，成為系統(tǒng)設計專家、項目經理，否則只是硬件工程師、軟件工程師。無論作51、196、還是DSP都是這樣。

　　下面分別談談我對硬件和軟件設計的感受

　　硬件設計是系統(tǒng)設計的關鍵，國內和國外產品的差距往往是硬件設計水平高低決定的，任何軟件設計思想沒有可靠的物理載體都是空中樓閣，紙上談兵。學校的研究生很多都想避開硬件設計，對于一個全新的設計與其說不屑不如說不敢。試想一下燒幾個片子的壓力要比跑飛幾段程序的壓力大的多，尤其是功率器件，一旦燒掉，弄不好火光沖天，人的自信都沒了。況且改一次板周期長，經費高，還不知行不行。其實在國外實力一般的公司也是盡量避免硬件的更新設計，產品一旦定型往往通過軟件升級，這是公司的發(fā)展策略，對個人而言物以希為貴，培養(yǎng)一個硬件設計師往往要比軟件設計師時間長花費多。在設計dsp硬件時，開始設計最小系統(tǒng)板，系統(tǒng)按功能分板設計調試，注意分板電路的穩(wěn)定性可能不如整板電路，要多加入抗干擾環(huán)節(jié)，分板間的引線包括電源線地線要短，盡量在10公分以內，實在不行加入光耦隔離、采用隔離電源。切記電源線、地線的干擾遠比信號干擾對系統(tǒng)的危害大得多，又常常被人忽視。電路板工作正常的先決條件就是電源正常!當分板電路正常后再更居情況設計整板電路。在調試時發(fā)現(xiàn)的問題一定要找到原因解決，即使是飛線，割線，不要寄希望于下一板改了再看，除非原理性錯誤。每一個功能環(huán)節(jié)多準備幾套方案。DSP的選型要根據(jù)系統(tǒng)功能而定，2000是一個功能比較全的控制器，但運算性能相對低，但目前大部分控制類、家電類包括中低層次的工業(yè)總線通信產品足夠了，281X不錯但太貴，而且開發(fā)技術不成熟。54XX更像一個協(xié)處理器，其實高端產品5471就很好，功能完*，但BGA封裝對產品的開發(fā)有一定難度。如果沒有從事過嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的朋友其實可以從51看起，許多思想是共通的，51很經典沒有哪一款微處理器像51那樣使用持久和普遍。在硬件設計時更多的精力放在外圍電路設計上，外圍電路設計的靈活性要比DSP本身高得多，難度大得多。建議多考慮CPLD。

　　軟件設計上，著眼點不要僅局限于某種算法和控制策略，而是軟件系統(tǒng)框架的制定，即操作系統(tǒng)的選擇和實現(xiàn)，算法和控制策略只是其中技巧性很強的子程序和子程序間參數(shù)相互關系，建議設計軟件時能具有操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結構和編譯原理方面的知識，特別是使用C。對DSP的內部硬件結構一定要掌握，特別是中斷結構和流程、流水線操作，不然飛都不知道怎么飛的。在語言選擇上我當時是這么給自己規(guī)定的先編20個左右的匯編程序，每個代碼量超過4K，使用語句范圍覆蓋全部語句的60%-70%，在此基礎上使用C?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)用C構建程序的主體框架(操作系統(tǒng))比較快而其不容易出錯，(我現(xiàn)在正在用ASM根據(jù)UCOSII的思想重寫自己的操作系統(tǒng))但對系統(tǒng)實時性影響比較大的運算算法一般采用MATLAB——C——ASM的辦法仿真調試優(yōu)化，這里的優(yōu)化不單單是利用優(yōu)化器優(yōu)化，而是根據(jù)數(shù)據(jù)的特點改變運算方法，以除法為例C里的/號其實掩蓋了許多技巧，當除數(shù)為常數(shù)時就可以放大倒數(shù)移位相乘移位的辦法進行，精度高速度快。這些辦法只有掌握了ASM語言并用ASM語言思考才會熟練應用。另外我想告訴一些作算法特別是控制算法的朋友，千萬不要隨意評判一個算法的優(yōu)劣，在程序中程序和代碼優(yōu)化的程度往往影響了控制效果好壞，而不是算法本身的思想。其實在實際中往往PID甚至PI、PD就夠了，神經元、模糊、小波適用于研究和寫論文，模糊在實際中用的多一點，主要是小日本用的比較成熟，我再恨日本人，這點也服氣，小日本就是滑，許多物理現(xiàn)象搞不透，就用這法，還管用，題外話。

　　最后我想說的是，當我們面對市場要求時，產品往往考慮的是可靠性、性能、價格而不是你用的什么芯片，在滿足性能的基礎上結構越簡單就越可靠，芯片越通用價格就越低，能用51就不用196，能用2407就不用2812，除非把芯片本身作買點利用高成本贏取高利潤。無論2000還是5000、6000系列都有市場前景，關鍵是要做深做透。

　　獲取知識的方法、處理項目的能力是相通的，具體的說就是不要把目光盯在做硬件還是做軟件上，用ASM還是C，要勤動手打好基礎，提高自己對系統(tǒng)總體設計的能力，從系統(tǒng)的眼光看問題。為什么都是做DSP的有的畢業(yè)拿3000，有的5000、8000，除了運氣和關系外，重要的是你對事物的認識深度和高度。我一直都記住這句話：有前途的人做什么都有前途，沒前途的人做什么都沒前途。

　　與其說是鉆在里面，畢業(yè)設計是搞240，在老師的壓力做出了一點東西，這期間主要是對DSP的各種基礎知識的熟悉與理解，對DSP的真正深入是在公司工作以后。當初進公司，因為正有一個項目需要用5410要我接手。說實話，在學校期間我5000的書都沒有看過一眼，可沒辦法，只能靠自己了。不過好的是我2000DSP的基礎很好。接過項目后，我第一個星期就全部看的是5000的指令，DSP的結構倒沒怎么看，因為項目硬件已成型，主要是算法。這樣，花了一個星期熟悉指令與項目相關的程序，第二個星期也就開始編程了。半個月以后我對5410也就用很熟了的，當然主要還是講在算法方面。這個項目太概做了四個月吧，系統(tǒng)程序是我編寫的，主要有如64位加減乘除乘方開方、及時域方面的一些算法?，F(xiàn)在又做一個控制系統(tǒng)，用2407開發(fā)的，硬件主要有直交變頻，并把2407的所有外設資源全部用到了?，F(xiàn)在我可以這樣自夸一句吧：TI的2000系列與5000系列的我都熟悉，要我去以此做個系統(tǒng)，沒問題。上面是把我搞DSP的經歷簡單說了一下的吧，在這里我想對正在學及想學DSP的難兄們說一句的是，DSP并不是很難。當然，這個前提是你的基礎要好，我單片機，接口都還行，當初就是從單片機改成DSP的。有了單片機的基礎再去學2000第列的DSP(下面的DSP單指2000系列，另有說明為止)，你就可以把DSP看成一個super microcontroller了。相比之下，DSP除了比單片機多了更豐的外設接口(SPI,SCI、CAN、PWM、CAP、QEP等等)，他就是一塊單片機，只不過在單片機來說你要另加芯片的工作，DSP全部把它做在一塊芯片去了，我現(xiàn)在看DSP也真就這么簡單。前面有人提到DSP主要是做算法，這句話有一定的片面性： TI有很多系列的DSP，現(xiàn)在主流的DSP主要為2000系列、3000系列、4000系列、5000系列、6000系列。除了2000與5000系列是定點DSP外，其余的均為浮點系列。 TI的2000系列主要長處是在用于控制系統(tǒng)，因為它的資源非常豐富，前面提到，在控制系統(tǒng)中用到的一些外設2000系列均在片內集成了。 TI的5000系列主要長處是用于數(shù)字信號的算法處理，這里所講算法處理主要是指在數(shù)字信號處理時的一些算法，如FIR、IIR、FFT等等。5000系列的DSP的速度比2000快，2407最快只能到40M，2800系列除外，5410的DSP可以達到160M，如現(xiàn)在我們主要用來做數(shù)字信號方面的處理以及簡單的靜態(tài)圖像處理等這樣一些在資源需要處于中等的一些算法。 TI的6000系列主要是用在實時圖像處理，這個就更則重于算法處理。一般的硬件很少自制，我們是用TI的DSK板再加上自主板相結合。

　　使用C/C++語言編寫基于DSP程序的注意事項

　　1、 不影響執(zhí)行速度的情況下，可以使用c或c/c++語言提供的函數(shù)庫，也可以自己設計函數(shù)，這樣更易于使用“裁縫師”優(yōu)化處理，例如：進行絕對值運算，可以調用fabs()或abs()函數(shù)，也可以使用if...else...判斷語句來替代。

　　2、 要非常謹慎地使用局部變量，根據(jù)自己項目開發(fā)的需要，應盡可能多地使用全局變量和靜態(tài)變量。

　　3、 一定要非常重視中斷向量表的問題，很多朋友對中斷向量表的調用方式不清楚。其實中斷向量表中的中斷名是任意取定的，dsp是不認名字的，它只認地址!!中斷向量表要重新定位。這一點很重要。

　　4、 要明確dsp軟件開發(fā)的第一步是對可用存儲空間的分析，存儲空間分配好壞關系到一個dsp程序員的水平。對于dsp，我們有兩種名稱的存儲空間，一種是物理空間，另一種是映射空間。物理空間是dsp上可以存放數(shù)據(jù)和程序的實際空間(包括外部存儲器)，我們的數(shù)據(jù)和程序最終放到物理空間上，但我們并不能直接訪問它們。我們要訪問物理空間，必須借助于映射空間才行!!但是映射空間本身是個“虛”空間，是個不存在的空間。所以，往往是映射空間遠遠大于實際的物理空間，有些映射空間，如io映射空間，它本身還代表了一種接口。只有那些物理空間映射到的映射空間才是我們真正可訪問(讀或寫)的存儲空間。

　　5、 盡可能地減少除法運算，而盡可能多地使用乘法和加法運算代替。

　　6、 如果ti公司或第三方軟件合作商提供了dsplib或其他的合法子程序庫供調用，應盡可能地調用使用。這些子程序均使用用匯編寫成，更為重要之處是通過了tms320算法標準測試。而且，常用的數(shù)字信號處理算法均有包括!!

　　7、 盡可能地采用內聯(lián)函數(shù)!!而不用一般的函數(shù)!!可以提高代碼的集成度。

　　8、 編程風格力求簡煉!!盡可能用c語言而不用c++語言。我個人感到雖然c++終代碼長了一些，好象對執(zhí)行速度沒有影響。

　　9、 因為在c5000中double型和float型均占有2個字，所以都可以使用，而且，可以直接將int型賦給float型或double型，但，盡可能地多使用int數(shù)據(jù)類型代替!這一點需要注意!!

　　10、 程序最后至少要加上一個空行，編譯器當這個空行為結尾提示符。

　　11、 大膽使用位運算符，非常好用!!

　　12、2003年6月份從ti的網(wǎng)站上下到了關于tms320c67x系列dsp的快速算法庫，于是，tms320c5000和c6000全系列的快速算法庫都問世了，這些算法庫均可供c/c++語言直接調用，優(yōu)化程度100%，實際編程時盡可能地使用(下載時可以同時下載到說明文檔和ascii源程序，可以根據(jù)自己需要作出修改，修改前最好做個備份)