浅谈DSP的应用及发展

浅谈DSP的应用及发展

作者：刘彦字

来源：《魅力中国》2010年第30期

摘要：21世纪是数字化时代，DSP成为这场数字化革命的重要元素，已广泛应用于社会的各个领域。本文就DSP的特点、应用、在我国应用推广上存在的一些制约因素及发展趋势做了一个简单阐述，并介绍了典型的DSP系统。 关键词：DSP：应用；发展

数字化技术正在极大地改变着我们的生活和体验。作为数字化技术的基石，数字信号处理(DSP)技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个小可或缺的角色。DSP的核心是算法与实现，越来越多的人正在认识、熟悉和使用它。

一、DSP的特点

DSP(Digital Signal Drocessor)一数字信号处理器，是一种专用处理器，主要对数字信号进行实时处理，以得到相应的处理结果。虽然应用于不同领域的DSP有不同的型号，但是它们的内部结构大同小异，都具有哈佛结构的特征。其内程序空间与数据空间是分开的，而且还允许数据空间和程序空间相互传送数据，即改进的哈佛结构。它们都支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以并行执行。利用流水线结构，加上执行重复操作，在一个指令周期内实现一次或多次乘法累加(MAC)运算。DSP能够在一个指令周期内完成对存储器的多次读取。所以，在DSP内集成了多个片内总线和多端口片内存储器。许多DSP芯片内部都采用多总线结构，且片内具有快速RAM，可以保证在一个机器周期内可以多次访问数据空间和程序空间。为了更好满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些特殊指令。如，处理器中的运算大多是重复的运算，为了方便使用，大部分DSP都支持这种重复运算，而不用额外编写重复运算的指令。为了加快处理器中的运算，在DSP中集成了多个地址产生单元，以支持循环寻址和位翻转寻址。大部分DSP都提供多个串行或并行I/O接口，以及特别I/O接口来处理特殊的数据，以降低成本和提高输入/输出性能。

二、目前DSP的主要应用

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在70年代末和80年代初，DSP只有在大学和航天部门才能用到。今天，DSP已经成为通信、计算机、网络、工业自动控制和家用电器等电子产品中不可缺少的基础器件。目前DSP的主要应用有如下方面：

(一)信号处理：数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形產生等。

(二)图像处理：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强，模式识别、动画、机器人视觉等。

(三)网络和互联网：PC机、高速调制解调器、数据传输、处理等。

(四)通信：数字蜂窝电话、调制解调器、自适应设备、线路转发器，数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、电视会议等。

(五)消费类电子：雷达，高保真音响、数字收音机、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。

(六)语音：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、语音存储等。

(七)军事：保密通信、系统故障检测、雷达处理、声纳处理、遥感遥测、导航、导弹制导等。

(八)工业：自动控制与制造，机器人控制、数据控制、在线监控等。 (九)医疗：医疗诊断设备、病人监控、修复手术、超声设备等。

(十)仪器仪表：频谱分析、数字滤波、函数发生、锁相环、模式匹配、地震处理。等。

三、DSP在我国的应用和存在的一些制约因素

在中国，手机、DVD等数字消费产品是应用DSP的主要方向，随着HDTV、视频电话等高技术消费类产品的成熟、成本的降低，在不久的将来飞入寻常百姓家，从而成为我国下一个十年DSP应用的主要力量。

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虽然我国DSP在应用的推动下取得了～定的发展，但是，依然存在着一些制约因素阻碍着DSP技术更快的普及。

1 价格仍然较贵；现在国内最便宜的DSP芯片的价格与高档的单片机价格差不多，是低档单片机的几倍甚至十几倍。

2 技术水平的限制；由于DSP的运算速度极快，电路中会因高频出现干扰等技术问题，解决方案并非轻易能够掌握。

3 开发工具有待改善；尽管现有的DSP开发工具已经较为丰富，但有的工具在设计中存在一定的欠缺，这就增加了DSP用户在设计产品中的难度。

四、DSP的典型系统

随着信息化的进展和计算机科学技术、信号处理理论与方法的迅速发展，通信、工业过程控制等需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高。低档的微处理器己不能满足要求。高性能DSP的出现，软件和开发工具的完善，价格的大幅度下降，使得DSP器件和技术具有广阔的应用前景。越来越多的用户开始选用DSP提高产品的性能。用DSP器件作实时处理己成为当今和未来技术发展的一个新的热点。

以TI公司的TMS320C2XX为例，该产品具有良好的性价比，其中THS320C2D3单片价格不到人民币100元，芯片内置544字的高速SRAM。外部可寻地址64K字程序，数据及输出输入接口，指令周期在25～50ns。实时性处理比16位单片机快2倍以上。TMS320C206除具有TMS3200C203的功能外，内置32K零等待快闪SRAH，能最大限度地减少用户板的体积。THS3200C240的指令、DSP核与THS3200C203、C206完全兼容，内置8K、16K宇快闪

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存储器，增加了两路10位AD，每路采样频率达到166kHz，提供9路独立的PWM输出，内置SCI和SPI接口、CAN总线接口。这大大增强了TMS3200C240的处理能力，在工业控制方而显示了强大的生命力。典型的TMS3200C240的用户系统如图1所示：

五、现代OSP的发展趋势

DSP器件的发展，必须兼顾3P的因素，即性能(Performance)、功耗(Power Consumption)和价格(Price)。总的来说，随着VLSI技术的高速发展，现代DSP在价格显著下降的同时，仍然保持着性能不断提升和单位运算量的功耗不断降低。下面我们简单说明现代DSP芯片的发展趋势：

(一)通过并行提升DSP芯片的性能。

传统的DSP芯片通过采用“与或”单元和改进的哈佛结构，使其运算能力大大超越了传统微处理器。一个台理的推论是：通过增加片上运算单元的个数以及相应的连接这些运算单元总线数目，就可以成倍地提升芯片的总体运算能力。当然这个推论有两个前提条件必须满足：首先是存储器的带宽必须能够满足由于总线数目增加所带来的数据吞吐量的提高；另外，多个功能单元并行工作所涉及的高度算法其复杂度必须是可实现的。

(二)存储器构架的变化。

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随着芯片主频的不断攀升，存储器的访问速度日益成为系统性能提升的瓶颈。在现有的制造工艺下，片上存储单元的增加将导致数据线负载电容的增加，影响到数据线上一信号的开关时间，这意味着片上高速存储单元的增加将是十分有限的。为了解决存储器速度与CPU内核速度小匹配的问题，高性能的CDu普遍采用Cache(高速缓存)机制，新的DSP芯片也开始采用这种结构。以TI的C64x DSP为例，它采用两级Cache的结构，如图2所示。L1 Cache分为独立的程序缓存(L1P)和数据缓存(L1D)，其大小各为16KBytes。访问速度与DSP内核的运行时钟相匹配，L2 Cache则采用统一的形式管理，其大小从256KB到1m不等，访问速度相比L1 cache大大降低。L2 Cache通过DHA与外部低速的存储器件进行数据交换。为增加Cache的命中率，C64X的Cache还采用了多路径的结构形式。研究表明，在很多情况下，采用这种多级缓存的架构可以达到采用完全片上存储器结构的系统约80％的执行效率。但是，采用Cache机制也在一定程度上增加了系统执行时间的不确定性，其对于实时系统的影响需要用户认真地加以分析和评估。

(三)SOC的趋势。

对于特定的终端应用，SOC(系统芯片)可以兼顾体积、功耗和成本等诸多因素，因而逐渐成为芯片设计的主流，DSP器件也逐渐从传统的通用型处理器中分离出更多的直接面向特定應用的SOC器件。这些SoC器件多采用DSP+ARM的双核结构，既可以满足核心算法的实现需求，又能够满足网络传输和用户界面等需求。同时，越来越多的专用接口以及协处理器被集成到芯片中，用户只需添加极少的外部芯片，即可构成一个完整的应用系统。以TI公司为例，其推出的面向第3代无线通信终端的OHAP151DO芯片等，面向数码相机的DM270芯片等，面向专业音频设备的DA610芯片等，面向媒体处理的DM642芯片等，都是SOC的典型例子。

参考文献：

[1]张雄伟等DSP芯片的原理与开发应用。北京电子工业出版社，2000 [2]王念旭等DSP基础与应用系统设计。北京：北京航空航天大学出版社，2001 [3]戴明祯等，TMS320C54X DSP结构，原理及应用。北京：北京航空航天大学出版社，2001

[4]王安民，TMS320C54XX DSP实用技术。北京：清华大学出版社，2002 [51许伟DSP应用的结构和发展方向[J]。电子技术应用，1999(3)

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