DSP器件

学号：20085044037学院物理电子工程学院专业电子科学与技术年级2008级姓名裴若男论文题目浅谈DSP器件的发展、特点与应用指导教师郭建涛职称副教授成绩2012年1月10日浅谈DSP器件的发展、特点与应用摘要：21世纪是数字化的时代，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，日渐渗透到我们的生活中，将我们带入数字化生活时代。

本文就DSP芯片的发展历程、结构特点与分类和发展前景做一阐述。

关键词：DSP；发展历程；特点；发展前景引言数字信号处理器DSP是一种专用微处理器，主要对数字信号进行实时处理，以得到相应的处理结果。

从20世纪70年代数字信号处理理论的崛起，到80、90年代各大公司竞相推出系列的DSP数字信号处理器的发展迅猛异常。

今天数字信号处理器已经广泛应用于多种不同的领域，日渐渗透到我们的生活中，将我们带入数字化生活时代。

1 DSP器件的产生数字处理技术的发展，快速算法的提出，促使了DSP芯片的问世。

DSP结合高速控制的灵活性与阵列处理器的数值运算能力，在实时数字信号处理中，以单片形式替代了专用超大规模集成电路和多片位式处理器。

它在体系上用哈佛结构代替了通用微处理器的冯·诺依曼结构[1]。

所谓哈佛结构（Harvard）是指具有独立的数据存储空间和程序存储空间，可同时对数据和程序寻址，形成指令和数据并行，以提高速度。

它是哈佛大学物理学家A·Howard于1930年提出的。

哈佛结构的缺陷是结构变得复杂。

因此，虽然1946年诞生于宾夕法尼亚大学的第一台通用数字计算机ENIAC采用了这种结构，但ENIAC项目顾问冯·诺依曼还是提出了另一种结构。

他认为程序和数据对CPU而言不存在本质区别，所以可公用一个存储空间。

这简化了结构，但降低了计算速度。

后来随着半导体工艺的发展，高速芯片不断推出，在一定程序上削弱了这种限制，以至40多年来这种结构成了计算机发展的一种标准，即冯·诺依曼结构。

目前通用机（PC/X86）均采用冯·诺依曼结构，其CPU主要由ALU，RAM，ROM，Registers和CE组成[2]。

ALU完成两个操作数的加减及逻辑运算，而乘法则通过加法与移位实现。

这是影响速度的另一个主要原因。

为了适应卷积、相关、滤波、FFT及矩阵运算中大量的乘加，DSP设置了专门的硬件乘法器和乘法并累加一类的指令，使乘法并累加操作可以在单周期内完成。

2 DSP的结构和特点DSP芯片都是采用大规模和超大规模集成电路制造工艺，借助于现有的3微米和亚微米电路制作技术，引脚封装在40-305引脚数量之间，主要采用CMOS/SOS 工艺,从而实现高速、低耗、高密度的折衷。

DSP与一般的微处理器芯片不同，不仅具有高集成度和高速运算速度,重要的是根据特定应用目标，可实时的完成信号处理的各种运算和功能。

DSP芯片内部多采用流水线结构和改进的哈佛结构。

流水线可以进行并行运算，可快速完成执行过程;改进的哈佛结构，可使分离的程序和数据地址空间进行相互的数据传送。

特性化DSP芯片多数基于RISC体系结构[3]，不仅简化了指令集，而主要在于减少了每条指令执行所需的周期数,因此指令执行时间大大缩短。

第一代DSP主要采用单CPU、双总线结构；第二代DSP采用多CPU、多存贮体、双总线结构，提高了并行流水处理功能；第三代具有更加完善的CPU、多存贮体结构，能保证中央处理器高效率完成乘法累加功能，而其它数据处理由别的并行处理操作完成；第四代DSP是由于超大规模集成度的允许多CPU、多存贮体、多总线的高并行流水处理结构成了芯片的主要结构。

TMS320系列第五代DSP芯片结构特点如下[4]：(1)改进的哈佛结构：为了实现高速控制和其它使用上的灵活性，采用了单累加器的改进哈佛结构。

在严格的哈佛结构中，程序存贮器和数据存贮器是放在两个独立空间，从而允许取指令和执行指令重叠。

改进哈佛结构则允许数据在程序空间和数据空间之间传输，从而增加了速度和器件的灵活性。

(2)并行处理结构：TMS320系列DSP芯片的并行处理包括功能模块并行操作和指令流水线工作。

功能模块并行操作是指器件内各模块，如算术逻辑单元、乘法器、DMA控制器、桶形移位器等，同时并行运行，使得器件在单指令周期内可以实现多个操作。

指令流水工作方式是为了把指令周期减少到最小值，同时增加数据吞吐量。

在第一、二代产品中，分别采用了两级(取指、执行)、三级(取指、译码、执行)流水线；而在第三、四代产品中，采用了四级(取指、译码、读数、执行)流水线。

(3)专用硬件乘法器：乘法运算是数字信号处理的重要操作。

在通用处理器中，乘法指令是用一连串指令构成，因此需占用许多指令周期。

而在TMS320系列中，由于器件中具有专用硬件乘法器，使得乘法运算在单指令周期内就能执行完，这样大大提高了处理速度。

(4)特殊DSP指令：TMS320系列DSP的另一个特征是使用特殊指令，目的是为了尽量减少指令周期，提高处理速度。

如第二、五代中的块操作指令；第三、四代中单指令周期的零额外开销的分支及循环指令、条件调用和返回指令、并行操作指令。

(5)快速指令周期：实时处理能力根本上讲取决于数字信号处理芯片的指令速度。

TMS320系列DSP芯片的显著特点是指令周期小，目前已达到20ns。

这就决定了它适合于许多要求实时处理的应用领域。

同时，考虑到外围器件的速度，TMS320系列的DSP芯片都具有插入等待周期的功能。

(6)附加功能模块：为了增强处理速度、数据吞吐率以及外围控制功能,随着半导体集成度的提高, TMS320系列DSP芯片逐渐增加了许多附加部件，如DMA 控制器可以加快数据传输；串/并行口方便器件构成并行处理系统；另外，还有定时器、外部中断控制器等。

由于TMS320系列DSP芯片有16/32位字长定点结构(如C2X/C5X等)的芯片和32位字长定点、40位字长浮点结构的芯片，其数据总线都为2的整数次幂，因此适合于图象和控制类的信号处理。

如TMS320C25被广泛地应用于控制类的信号处理中， TMS320C5X/C3X/C4X系列DSP芯片被广泛地应用于图象识别类的信号处理中。

TI公司的最新产品TMS320C8X系列DSP芯片[5]，为多媒体芯片，它为4片DSP+MPU结构，其MPU是一个32位RISC处理器，带有IEEE-754浮点单元(FPV)硬件，此外，它还含有其它功能模块，主要用于图象压缩。

DSP56000系列DSP 芯片为24位字长定点结构，这种结构非常适合于数字音频信号的处理。

因为，目前对高品质的数字音频信号来说，其量化采用16位量化方法(如CD数字音频信号)，当对其进行复杂算法处理时会引入误差，这些误差来自于滤波器系数量化误差、溢出和舍入误差。

采用24位字长的定点DSP器件对16位数字音频信号进行处理，可以将这些误差减至最小乃至消除这些误差，从而获得高品质的音质；Motorola新研制出的DSP56300系列也是24位字长的定点DSP芯片，它更适合于高级数字蜂窝结构。

这种芯片可在3V电压下工作，运算速度达66MIPS；DSP56800系列DSP芯片是第一代微控制器嵌入式DSP结构(DSP+MCU结构)，也是16位字长的定点DSP芯片，该芯片编程容易，可以用C和C++语言进行编程，它即具有微处理器控制的灵活性，又具有DSP芯片的高速运算能力，是低成本DSP 芯片；DSP96000系列为32位字长定点、44位字长浮点的结构，支持IEEE-754标准的浮点运算，适用于图象类的信号处理，但在国内该芯片使用较少。

从编程语言来看，DSP56000、DSP56300、DSP96000系列采用自己的汇编语言编程，DSP56800系列可以用C和C++语言进行编程。

TMS320系列中的C25、C3X、C4X、和C5X除了可以用自己的汇编语言编程外，还可以用C语言编程，还有脱机交叉(汇编与C语言混合编程)编译软件。

在对DSP芯片进行编程时要特别注意，C语言编程时虽能减少程序的研制时间，但它产生代码的效率不高。

典型的、好的汇编语言成程序能完成器件的理论处理速度的90%，而高级语言只能达到20%-30%。

这就是说，采用高级语言编程时，会使器件的处理速度降低。

所以,研制人员应根据具体情况选用编程语言。

3 DSP芯片的分类3.1 按基础特性分这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。

如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片。

例如，日本OKI 电气公司的DSP 芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片属于这一类。

如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片称为一致性DSP芯片。

例如，美国TI公司的TMS320C54X就属于这一类[6]。

3.2 按数据格式分这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。

数据以定点格式工作的DSP 芯片称为定点DSP芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motolora公司的MC56000等。

以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等。

不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式，如Motorola公司的MC96002、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。

3.3 按用途分按照DSP的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。

通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片属于通用型DSP芯片。

专用DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT，如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的ZR34881，Inmos 公司的IMSA100等就属于专用型DSP芯片。

4 DSP技术的发展前景目前，DSP市场正处于高速成长阶段，在数字化、个人化和网络化的推动下，2009年世界DSP市场营业额已超过800亿美元，预计未来的年增长率高达40%，在全球DSP市场中，仅就美国而言，据估计，美国有超过1亿辆汽车、几千万台个人通信装置、每个家庭中就有5～20个联网的家用电器以及数以百万计的工厂使用DSP系统。