DSP技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)精

1、DSP技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)一、數(shù)字信號(hào)處理結(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)：采集系統(tǒng)+DSP芯片非實(shí)時(shí)系統(tǒng)：pc機(jī)上進(jìn)行處理系統(tǒng)的模擬與仿真或仿真庫+DSP芯片。1DSP、MCU、MPU的關(guān)系微控制器MCU通俗的稱呼是單片機(jī)，它與微處理器MPU是微機(jī)技術(shù)的兩大分支。MPU的發(fā)展動(dòng)力是人類對(duì)無止境的海量數(shù)值運(yùn)算的需求，速度越來越快。MCU的發(fā)展是為了滿足被控制對(duì)象的要求，向高可靠性、低功耗、低成本發(fā)展。一般MCU的引腳數(shù)在60以下，MCU以8位機(jī)為主、32位機(jī)為輔。有趨勢(shì)提高M(jìn)CU的運(yùn)算功能，將DSP集成至IMCU中，比如32位的MC68356集成了Motorola的DSP56002。微控制器MC

2、U一直存在兩種基本結(jié)構(gòu)：哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)和馮諾依曼(vonMeumann)結(jié)構(gòu)，還可進(jìn)一步講是對(duì)應(yīng)成復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC和精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)RISC。馮諾伊曼結(jié)構(gòu)具有單一總線PRAM或DRAM都映射到同一地址空間，總線寬度與CPU類型匹配。哈佛結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，CISC的指令一般是微碼miccode,每條指令由CPU解碼為許多基本指令，基于CISC的微控制器一般很復(fù)雜，都采用馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，所需要的程序存儲(chǔ)器比RISC產(chǎn)品少。微碼在CPU產(chǎn)生而限制了CISC器件的帶寬，其指令集也比RISC器件大。68000的MPU是準(zhǔn)32位的MPU,內(nèi)部32位，外部總線是16位。蘋果機(jī)

3、就是用68000系列，它的運(yùn)行分成系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)，其設(shè)計(jì)是面向分時(shí)多任務(wù)或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的，68000的總線后來變成VME總線標(biāo)準(zhǔn)。到68020就是全32位了。1991年IEEE1149.1即JTAG的公布滿足了IC制造商的措施需求，也給ASIC、MCU、MPU、DSP、PLD、FPGA等的用戶帶來方便。一般十萬門以上的IC都有JTAG接口,1993年IEEE1149.5對(duì)JTAG作了彳正(5線接口)。IC的測(cè)試分成晶片級(jí)、IC封裝級(jí)、電路板與系統(tǒng)極，JTAG完成了前兩者的測(cè)試。適于68000系列的32位機(jī)的開發(fā)工具ICD32是一段扁平電纜，一端接IC的JTAG的5線接口,一端通過25芯頭(里面

4、有GAL)接PC機(jī)并口。傳統(tǒng)上，微控制器MCU與微處理器MPU是兩大分支，而DSP是MCU的一種特殊變形。但是從實(shí)質(zhì)講，MPU多半是CISC,除了DSP之外的MCU也是CISC。而DSP是RISC。所以比較時(shí)更適合DSP與MPU相比，MPU適宜于相同管理這樣的應(yīng)用中，以條件判斷為主的應(yīng)用，以軟件管理的操作系統(tǒng)為核心的產(chǎn)品，MPU的設(shè)計(jì)側(cè)重于不妨礙程序的流程，以保證操作系統(tǒng)支持功能及轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)功能等。而DSP側(cè)重于保證數(shù)據(jù)的順利通行，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單。2馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)1945年，馮諾依曼首先提出了“存儲(chǔ)程序”的概念和二進(jìn)制原理，后來，人們把利用這種概念和原理設(shè)計(jì)的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)稱為“馮.諾曼

5、型結(jié)構(gòu)”計(jì)算機(jī)。馮.諾曼結(jié)構(gòu)的處理器使用同一個(gè)存儲(chǔ)器，經(jīng)由同一個(gè)總線傳輸。馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：必須有一個(gè)存儲(chǔ)器；必須有一個(gè)控制器；必須有一個(gè)運(yùn)算器，用于完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；必須有輸入和輸出設(shè)備，用于進(jìn)行人機(jī)通信。另外，程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)并在程序控制下自動(dòng)工作馮諾依曼的主要貢獻(xiàn)就是提出并實(shí)現(xiàn)了“存儲(chǔ)程序”的概念。由于指令和數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制碼，指令和操作數(shù)的地址又密切相關(guān)，因此，當(dāng)初選擇這種結(jié)構(gòu)是自然的。但是，這種指令和數(shù)據(jù)共享同一總線的結(jié)構(gòu)，使得信息流的傳輸成為限制計(jì)算機(jī)性能的瓶頸，影響了數(shù)據(jù)處理速度的提高。在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令

6、。從指令流的定時(shí)關(guān)系也可看出馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)處理方式的差別。舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作的指令，指令1至指令3均為存、取數(shù)指令，對(duì)馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器，由于取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個(gè)存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行，只有一個(gè)完成后再進(jìn)行下一個(gè)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。中央處理器首先到程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容，解碼彳爰得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)

7、是8位寬度。哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲(chǔ)的，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。目前使用哈佛結(jié)構(gòu)的中央處理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11。哈佛結(jié)構(gòu)是指程序和數(shù)據(jù)空間獨(dú)立的體系結(jié)構(gòu)，目的是為了減輕程序運(yùn)行時(shí)的訪存瓶頸.例如最常見的卷積運(yùn)算中，一條指令同時(shí)取兩個(gè)操作數(shù)，在流水線處理時(shí)，同時(shí)還有一個(gè)取指操作，如果程序和數(shù)據(jù)通過一條總線訪問，取指和取數(shù)必會(huì)產(chǎn)生沖突，而這對(duì)大運(yùn)算量的循環(huán)的執(zhí)行

8、效率是很不利的.哈佛結(jié)構(gòu)能基本上解決取指和取數(shù)的沖突問題.而對(duì)另一個(gè)操作數(shù)的訪問，就只能采用Enhanced哈佛結(jié)構(gòu)了，例如像TI那樣，數(shù)據(jù)區(qū)再split,并多一組總線.或向AD那樣，采用指令cache,指令區(qū)可存放一部分二、DSP應(yīng)用方向，其他cpu和控制器融合趨勢(shì)、發(fā)展方向DSP技術(shù)在各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用2.1 通信領(lǐng)域的應(yīng)用近年來，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP已經(jīng)成為信號(hào)與信息處理領(lǐng)域里一門十分重要的新興學(xué)科，它代表著當(dāng)今無線系統(tǒng)的主流發(fā)展方向?，F(xiàn)在，通信領(lǐng)域中許多產(chǎn)品都與DSP密切聯(lián)系，例如，Modem、數(shù)據(jù)加密、擴(kuò)頻通信、可視電話等。而尋找DSP芯片來實(shí)現(xiàn)算法最開始的目標(biāo)是在可以接受的

9、時(shí)間內(nèi)對(duì)算法做仿真，隨后是將波形存儲(chǔ)起來，然后再加以處理。圖1所示，給出了一個(gè)典型的DSP應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)字蜂窩電話是DSP最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。因DSP具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，使得移動(dòng)通信的蜂窩電話重新崛起，并創(chuàng)造了一批諸如GSM、CDMA等全數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)3。由于采用DSP技術(shù)，蜂窩電話的更新?lián)Q代變得更為容易，只需在統(tǒng)一的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過軟件的不斷升級(jí)生產(chǎn)各式各樣的新款手機(jī)。圖1系統(tǒng)方框圖輸入信號(hào)首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字比特流。根據(jù)香農(nóng)抽樣定理，為保持信息的不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號(hào)最高頻率的兩倍。2.2 儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用DSP已經(jīng)涉足測(cè)量?jī)x

10、表和測(cè)試儀器行業(yè)，而且大有取代高檔單片機(jī)的趨勢(shì)。使用DSP開發(fā)測(cè)量?jī)x表和測(cè)試儀器可將產(chǎn)品提升到一個(gè)嶄新的水平。新款DSP豐富的片內(nèi)資源可以大大簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件電路，實(shí)現(xiàn)儀器儀表的SOC（SystemOnChip,即片上系統(tǒng)）設(shè)計(jì)。儀器儀表的測(cè)量精度和速度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，使用DSP芯片開發(fā)產(chǎn)品可使這兩項(xiàng)指標(biāo)大大提高。以TMS320F2810為例，其高效的32位CPU內(nèi)核、優(yōu)異的12位A/D轉(zhuǎn)換器、豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)器以及靈活的指令系統(tǒng)為我們開發(fā)快速、高精度儀器搭建了廣闊的平臺(tái)。目前DSP正處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，儀器儀表是DSP的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，相信DSP的應(yīng)用會(huì)推進(jìn)儀器儀表的技術(shù)革新。2.3

11、 PC領(lǐng)域中的應(yīng)用可編程多媒體DSP是PC領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。以XDSLModem為代表的高速通信技術(shù)與MPEG圖像技術(shù)相結(jié)合，使得高品位的音頻和視頻形式的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交換。預(yù)計(jì)在今后的PC機(jī)中，一個(gè)DSP即可完成全部所需的多媒體的處理功能。2.4 全新數(shù)碼助聽器中的應(yīng)用由于傳統(tǒng)助聽器線路功能的局限性，無法滿足大部分聽障患者的要求，這個(gè)使命理所當(dāng)然的留給了全數(shù)碼助聽器。在國(guó)外，助聽器的技術(shù)正由傳統(tǒng)的電子放大電路逐步被DSP所取代。DSP具有強(qiáng)大的處理功能，能讓聽障患者聽到更清晰的、想要聽到的聲音，去除患者不想聽到的聲音，從而使現(xiàn)代的助聽器技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)的飛躍。數(shù)字信號(hào)處理是全數(shù)碼助聽器

12、的核心部分。它為調(diào)整輸入/輸出特性和系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性提供很強(qiáng)的靈活性。2.5 圖形圖像技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用DVD里應(yīng)用的活動(dòng)圖像壓縮/解壓縮用MPEG2編碼/譯碼器，同時(shí)也廣泛地應(yīng)用于視頻點(diǎn)播VOD、高品位有線電視和衛(wèi)星廣播等諸多領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域里，應(yīng)用的DSP應(yīng)該具備更高的處理速度和功能。而且，活動(dòng)圖像壓縮/解壓技術(shù)也日新月異，例如，DCT變換域編碼很難提高壓縮比與重構(gòu)圖像質(zhì)量，于是出現(xiàn)了對(duì)以視覺感知特性為指導(dǎo)的小波分析圖像壓縮方法。新的算法出現(xiàn)，要求相應(yīng)的高性能DSP。最近，日本各大學(xué)和高技術(shù)企業(yè)對(duì)于開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)VR系統(tǒng)，投入相當(dāng)力量，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像學(xué)CG生成3維圖形，迫切需要多個(gè)DSP并

13、行處理系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)里的結(jié)點(diǎn)DSP單元，要求采用與并行處理相適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。2.6 汽車電子系統(tǒng)及其他應(yīng)用領(lǐng)域汽車電子系統(tǒng)日益興旺發(fā)達(dá)起來，諸如裝設(shè)紅外線和毫米波雷達(dá)，將需用DSP進(jìn)行分析。如今，汽車愈來愈多，防沖撞系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)。而且，利用攝像機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過DSP處理，才能在駕駛系統(tǒng)里顯示出來，供駕駛?cè)藛T參考。應(yīng)用DSP的領(lǐng)域可以說是不勝枚舉，電視會(huì)議系統(tǒng)里，也大量應(yīng)用DSP器件。視聽機(jī)器里也都應(yīng)用DSP。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)許許多多的DSP新應(yīng)用領(lǐng)域。3DSP技術(shù)的發(fā)展前景目前，DSP市場(chǎng)正處于高速成長(zhǎng)階段，在數(shù)字化、個(gè)人化和網(wǎng)絡(luò)化的推動(dòng)下，2009年世界DSP市場(chǎng)

14、營(yíng)業(yè)額已超過800億美元，預(yù)計(jì)未來的年增長(zhǎng)率高達(dá)40%,在全球DSP市場(chǎng)中，僅就美國(guó)而言，據(jù)估計(jì)，美國(guó)有超過1億輛汽車、幾千萬臺(tái)個(gè)人通信裝置、每個(gè)家庭中就有520個(gè)聯(lián)網(wǎng)的家用電器以及數(shù)以百萬計(jì)的工廠使用DSP系統(tǒng)。中國(guó)已成為DSP芯片的最大市場(chǎng)，數(shù)碼相機(jī)、IP電話和手持電子設(shè)備的熱銷帶來了對(duì)DSP芯片的巨大需求。盡管DSP市場(chǎng)日趨成熟，但仍有成長(zhǎng)空間?；ヂ?lián)網(wǎng)和設(shè)備個(gè)性化是當(dāng)前信息社會(huì)的特征?；ヂ?lián)網(wǎng)是PC時(shí)代全球經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，由于PC市場(chǎng)仍未飽和，市場(chǎng)潛力巨大，也是DSP潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。而手機(jī)、PDA、MP3播放器以及手提電腦等則是設(shè)備個(gè)性化的典型代表，這些設(shè)備的發(fā)展水平取決于DSP的發(fā)展。新

15、的形勢(shì)下，DSP面臨的要求是處理速度更高，功能更多更全，功耗更低，存儲(chǔ)器用量更少。DSP的技術(shù)發(fā)展將會(huì)有以下一些走勢(shì)：(1)系統(tǒng)級(jí)集成DSP是潮流。小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)前的DSP尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn)DSP芯核，并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)級(jí)集成電路。(2)追求更高的運(yùn)算速度和進(jìn)一步降低功耗和幾何尺寸40由于電子設(shè)備的個(gè)人化和客戶化趨勢(shì)，DSP必須追求更高更快的運(yùn)算速度，才能跟上電子設(shè)備的更新步伐。同時(shí)由于DSP的應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到人們工作生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是

16、便攜式手持產(chǎn)品對(duì)于低功耗和尺寸的要求很高，所以DSP有待于進(jìn)一步降低功耗。按照CMOS的發(fā)展趨勢(shì)，依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)，DSP運(yùn)算速度的提高和功耗尺寸的降低是完全可能的。(3) DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善5oDSP的結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化DSP設(shè)計(jì)以極大改進(jìn)產(chǎn)品的性能。多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù)(SIMD)、超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)(VLIM)、超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴(kuò)展的超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)(SHARC)在新的高性能處理器中將占據(jù)主導(dǎo)地位。(4) DSP嵌入式系統(tǒng)5。DSP嵌入式系統(tǒng)是DSP系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用電子系統(tǒng)中的一種通用系統(tǒng)4。這種系統(tǒng)既具有DSP器件在數(shù)據(jù)處理方面的

17、優(yōu)勢(shì)，又具有應(yīng)用目標(biāo)所需要的技術(shù)特征。在許多嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，既需要在數(shù)據(jù)處理方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的DSP,也需要在智能控制方面技高一籌的微處理器(MCU)。因此,將DSP與MCU融合在一起的雙核平臺(tái)，將成為DSP技術(shù)發(fā)展的一種新潮流。cpu和控制器融合趨勢(shì)多年以來，盡管PC在不斷發(fā)展，但基本架構(gòu)始終未變。中央處理器被連接到芯片組上，而芯片組上又包含了內(nèi)存控制器和I/O控制器。隨著制造工藝的提升，CPU與芯片組的融合已經(jīng)成為可能。但這并不意味著，這種趨勢(shì)短期內(nèi)將在整個(gè)業(yè)內(nèi)普及。英特爾芯片組事業(yè)部總經(jīng)理理查德馬林諾斯基表示：“把所有功能融入到一塊芯片中的做法是不可行的，因?yàn)榇嬖诩蓡栴}。”威盛CEO陳

18、文琦稱：“單一CPU芯片時(shí)代即將到來，在未來一兩年內(nèi)，威盛將繼續(xù)奉行這一路線?！北驹鲁?，威盛針對(duì)UMPC市場(chǎng)，推出了一款體積最小的主板mobile-ITX,只有名片般大小。威盛CPU設(shè)計(jì)人員霍爾特承認(rèn)，CPU與芯片組的融合是威盛所追求的目標(biāo)。但實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，還有一系列問題亟待解決，如制造技術(shù)和電壓等問題。三、DSP開發(fā)手段、包括硬件和軟件發(fā)展DSP的軟件、硬件的開發(fā)以及系統(tǒng)的集成，日益關(guān)注。如何提高開發(fā)速度、降低開發(fā)難度，所有開發(fā)者共同關(guān)心。除了必須了解DSP本身的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)外，大量的時(shí)間和精力花費(fèi)在熟悉和掌握開發(fā)工具和環(huán)境上。系統(tǒng)復(fù)雜程度的百分之八十取決于軟件。所以，設(shè)計(jì)人員都極為看重先進(jìn)的、易于使用的開發(fā)環(huán)境與工具。DSP的開發(fā)環(huán)境如何，開發(fā)工具的功能是否豐富，使用是否方便，