DSP芯片介紹(精)

1、DSP 芯片介紹1 什么是 DSP 芯片DSP 芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP 芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水 線操作，提供特殊的 DSP 指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根 據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP 芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn)：（1） 在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。（2） 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)。（3） 片內(nèi)具有快速 RAM，通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問。（4） 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。（5） 快速的中斷處理和硬件 I/O 支持。（6）

2、 具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。（7） 可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。（8） 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。與通用微處理器相比，DSP 芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。2 DSP 芯片的發(fā)展世界上第一個(gè)單片 DSP 芯片是 1978 年 AMI 公司宣布的 S2811, 1979 年美國 Iintel公司發(fā)布的商用可編程期間 2920 是 DSP 芯片的一個(gè)主要里程碑。這兩種芯 片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代 DSP 芯片所必須的單周期芯片。1980 年。日本 NEC 公司推出 的卩 PD772 是第一個(gè)具有乘法器的商用 DSP 芯片。第一個(gè)采用 CMOS 工藝生產(chǎn)浮 點(diǎn) DSP 芯

3、片的是日本的 Hitachi 公司，它于 1982 年推出了浮點(diǎn) DSP 芯片。1983年，日本的 Fujitsu 公司推出的 MB8764，其指令周期為 120ns，且具有雙內(nèi)部總 線，從而處理的吞吐量發(fā)生了一個(gè)大的飛躍。而第一個(gè)高性能的浮點(diǎn)DSP 芯片應(yīng)是 AT&T 公司于 1984 年推出的 DSP32。在這么多的 DSP 芯片種類中，最成功的是美國德克薩斯儀器公司(TexasInstruments,簡稱 TI)的一系列產(chǎn)品。TI 公司災(zāi) 982 年成功推出啟迪一代 DSP 芯 片TMS32010 及其系列產(chǎn)品 TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17

4、等，之后相 繼推出了第二代 DSP 芯片 TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代 DSP 芯片TMS32C30/C31/C32，第四代 DSP 芯片 TMS32C40/C44,第五代 DSP 芯片TMS32C50/C51/C52/C53 以及集多個(gè) DSP 于一體的高性能 DSP 芯片 TMS32C80/C82等。自 1980 年以來，DSP 芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，DSP 芯片的應(yīng)用越來越廣 泛。從運(yùn)算速度來看，MAC (次乘法和一次加法)時(shí)間已經(jīng)從 80 年代初的 400ns (如TMS32010)降低到 40ns (如 TMS32C40)，處理能力提高了 10 多

5、倍。 DSP 芯片內(nèi)部關(guān)鍵的乘法器部件從 1980 年的占模區(qū)的 40 左右下降到 5 以下，片內(nèi) RAM 增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。從制造工藝來看，1980 年采用 4 卩的 N 溝道 MOS 工 藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米 CMOS 工藝。DSP 芯片的引腳數(shù)量從 1980 年的最多 64 個(gè)增加到現(xiàn)在歡迎光臨中國最大的電子工程師應(yīng)用網(wǎng)站網(wǎng)址：的 200 個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加。此外，DSP 芯片的發(fā)展，是 DSP 系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。3 DSP 芯片的分類DSP 的芯片可以按照以下的三種方式進(jìn)行分類1.按基礎(chǔ)特性分這是根據(jù) DSP 芯片的工作

6、時(shí)鐘和指令類型來分類的。如果 DSP 芯片在某時(shí)鐘 頻率范圍內(nèi)的任何頻率上能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒有性能的下降，這 類 DSP 芯片一般稱之為靜態(tài) DSP 芯片。如果有兩種或兩種以上的 DSP 芯片,它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼機(jī)管腳結(jié) 構(gòu)相互兼容，則這類 DSP 芯片稱之為一致性的 DSP 芯片。2. 按數(shù)據(jù)格式分這是根據(jù) DSP 芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP 芯片稱之為定點(diǎn) DSP 芯片。以浮點(diǎn)格式工作的稱為 DSP 芯片。不同的浮點(diǎn) DSP 芯 片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的 DSP 芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，有的 DSP 芯片則采用 IEEE 的

7、標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式。3. 按用途分按照 DSP 芯片的用途來分，可分為通用型 DSP 芯片和專用型的 DSP 芯片。 通用型 DSP 芯片適合普通的 DSP 應(yīng)用，如 TI 公司的一系列 DSP 芯片。專用型 DSP 芯片市為特定的 DSP 運(yùn)算而設(shè)計(jì)，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波，卷積和 FFT 等。4 DSP 芯片的選擇設(shè)計(jì) DSP 應(yīng)用系統(tǒng)，選擇 DSP 芯片時(shí)非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)外圍電路集系統(tǒng)的其它電路。總的來說，DSP 芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。一般來說，選擇DSP 芯片時(shí)考慮如下諸多因素。1.DSP 芯片的運(yùn)算速度。運(yùn)算速度是 DSP 芯

8、片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)， 也是選擇 DSP 芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素。 DSP 芯片的運(yùn)算速度可以用以 下幾種性能指標(biāo)來衡量：(1)指令周期。 就是執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，通常以ns 為單位。(2)MAC 時(shí)間。即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。(3)FFT 執(zhí)行時(shí)間。即運(yùn)行一個(gè) N 點(diǎn) FFT 程序所需的時(shí)間。(4)MIPS。即每秒執(zhí)行百萬條指令。(5)MOPS。即每秒執(zhí)行百萬次操作。歡迎光臨中國最大的電子工程師應(yīng)用網(wǎng)站網(wǎng)址： 2(6)MFLOPS。即每秒執(zhí)行百萬次浮點(diǎn)操作。(7)BOPS。即每秒執(zhí)行十億次操作。2.DSP 芯片的價(jià)格。根據(jù)一個(gè)價(jià)格實(shí)際的應(yīng)用情況，確定一個(gè)價(jià)格適中的DS

9、P 芯片。3.DSP 芯片的硬件資源。4.DSP 芯片的運(yùn)算速度。5.DSP 芯片的開發(fā)工具。6.DSP 芯片的功耗。7.其它的因素，如封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、生命周期等。DSP 應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量是確定選用處理能力多大的 DSP 芯片的基礎(chǔ)。那么如何確定 DSP 系統(tǒng)的運(yùn)算量以選擇 DSP 芯片呢？1.按樣點(diǎn)處理按樣點(diǎn)處理就是 DSP 算法對(duì)每一個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次。例如；一個(gè)采用LMS算法的 256 抽頭德的自適應(yīng) FIR 濾波器，假定每個(gè)抽頭的計(jì)算需要 3 個(gè) MAC 周 期，則256 抽頭計(jì)算需要 256*3=768 個(gè) MAC 周期。如果采樣頻率為 8KHz，即樣 點(diǎn)之間的間隔為 125

10、卩的時(shí)間，DSP 芯片的MAC周期為 200 卩則 768 個(gè)周期需 要 153.6 卩的時(shí)間，顯然無法實(shí)時(shí)處理，需要選用速度更快的芯片。2.按幀處理有些數(shù)字信號(hào)處理算法不是每個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次，而是每隔一定的時(shí)間間隔(通常稱為幀)循環(huán)一次。所以選擇 DSP 芯片應(yīng)該比較一幀內(nèi) DSP 芯片的處理能 力和DSP 算法的運(yùn)算量。假設(shè) DSP 芯片的指令周期為 P (ns)，幀的時(shí)間為 ns)，則該 DSP芯片在一幀內(nèi)所提供的最大運(yùn)算量為/T/條指令。5 DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)包括：(1) 哈佛結(jié)構(gòu)；(2) 流水線操作；(3) 專用的硬件乘法器；(4) 特殊的 DSP 指令；

11、歡迎光臨中國最大的電子工程師應(yīng)用網(wǎng)站網(wǎng)址： 3(5) 快速的指令周期。哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了 一倍。由于程序和存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。流水線與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP 芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時(shí)間， 從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。處理器可以并行處理二到四條指令，每條指令處于 流水線的不同階段。入圖示出一個(gè)三級(jí)流水線操作的例子。CLL0UT1取指 N N-1 N-2譯

12、碼 N-1 N N-2執(zhí)行 N-2 N-1 N圖 4-1 三級(jí)流水線操作專用的硬件乘法器乘法速度越快，DSP 處理器的性能越高。由于具有專用的應(yīng)用乘法器，乘法 可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。特殊的 DSP 指令 DSP 芯片是采用特殊的指令?？焖俚闹噶钪芷诠鸾Y(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP 指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)可使 DSP 芯片的指令周期在 200ns 以下。6 DSP 系統(tǒng)的特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部特點(diǎn)：（1）接口方便。DSP 系統(tǒng)與其它以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相 互兼容，這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些

13、系統(tǒng)接口要容易的 多。（2） 編程方便。DSP 系統(tǒng)種的可編程 DSP 芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中 靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)。（3） 穩(wěn)定性好。DSP 系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較 小，可靠性高。（4） 精度高。16 位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到的精度。歡迎光臨中國最大的電子工程師應(yīng)用網(wǎng)站網(wǎng)址： 4（5） 可重復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系 統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試，調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。（6） 集成方便。DSP 系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。7 DSP 芯片的應(yīng)用自從 DSP 芯片誕生以來，DSP 芯片得到了飛速的發(fā)展。DSP 芯片高速發(fā)展， 一方面得益于集成電路的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場。在短短的十多年時(shí) 間，DSP芯片已經(jīng)在信號(hào)處理、通信、雷達(dá)等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前， DSP 芯片的價(jià)格也越來越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。DSP芯片的應(yīng)用主要有：（1） 信號(hào)處理-如，數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅里葉變換、相關(guān)運(yùn)算、 頻譜分析、卷積等。（2） 通信-如，調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回坡抵 消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、糾錯(cuò)編碼、波形產(chǎn)生等。（3） 語音-如語音編碼、語音合成、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)、說話人辨認(rèn)、說 話人確認(rèn)、語音郵件、語音儲(chǔ)存等。（4） 圖像/