試論DSP發展趨勢

摘要:數字信號處理器(Digital Signal Processor: DSP)是一種專門用于數字信號處理的嵌入式微處理器，擁有強大的運算能力，在無線通信、多媒體、醫療設備、便攜式數字終端、計算機網絡、雷達和精確制導武器等領域有廣泛應用。該文簡要介紹了DSP的產生及發展，并且重點提出了未來DSP發展面向多核、系統集成(systerm on chip: SoC)、高性能及可編程化的趨勢。

關鍵詞:DSP;SoC;多核化;可編程化;趨勢

中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)36-10399-02

Discussion on the Development Trend of DSP

FU Xian-jun

(Sub-company Information Center， Storage Transportation Sales of Daqing Oilfield Company， Daqing 163453， China)

Abstract: DSP， which is widely used in the regions of wireless communication， multimedia， medical facilities， portable digital terminal， computer network， radar， precision guided weapon and so on. This paper make a brief introduction of the principle， birth development of DSP， and focus on the prediction the trends of DSP.

Key words: DSP; SoC; multi-core technology; programmable; trend

DSP是英文Digtal SigIlal Processor的縮寫，即數字信號處理器。DSP芯片專門用于完成各種實時數字信息的處理，它是在數字信號處理的各種理論和算法的基礎上發展起來的。數字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。

1982年，第一款商用DSP在TI公司誕生。盡管這個型號為TMS320C10(當時為TMS32010)的芯片在今天看來顯然已經非常落伍了——55，000個晶體管、4KRAM，3微米AMOS工藝，指令處理能力5MIPS——但它開啟了一種可能。此后幾年，將溫度、圖像、電流、電壓等各種模擬信號轉換為數字信號的技術相繼出現，繼而形成了一股規模宏大的潮流，將包括手機、寬帶、硬盤驅動器、三維圖像、MP3、數碼相繼、筆記本在內的各種應用裹挾進來。

面對DSP的巨大市場和廣闊發展前景，世界上最大的幾個半導體公司都在展開競爭。如美國TI、AD、Agere、Motorola、Siemens、Semiconductor等公司都在全力開發和生產DSP器件。

1 DSP的發展軌跡

DSP產業在約40年的歷程中經歷了三個階段:第一階段，DSP意味著數字信號處理，并作為一個新的理論體系廣為流行;隨著這個時代的成熟，DSP進入了發展的第二階段，在這個階段，DSP代表數字信號處理器，這些DSP器件使我們生活的許多方面都發生了巨大的變化;接下來又催生了第三階段，這是一個賦能(enablement)的時期，我們將看到DSP理論和DSP架構都被嵌入到SoC類產品中。”

2 DSP的趨勢

DSP的發展是非常幸運的，幾乎以2倍于半導體工業的增長速度在成長。根據行業分析機構Farward Concepts的預計，在未來5年時間里，DSP市場將以12%的年復合增長率增長，該公司總裁Will Strauss認為:“DSP技術在未來幾年的發展將遠遠大于其在問世后25年之內的發展，并將使人類世界變得前所未有的安全、智能化和聯網化。”

2.1 SoC化

SoC(System on Chip)技術[1]是一種高度集成化、固件化的系統集成技術。使用SOC技術設計系統的核心思想，就是要把整個應用電子系統全部集成在一個芯片中。

縮小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術發展方向。當前的DSP多數基于RISC(精簡指令集計算)結構，這種結構的優點是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進DSP芯核，并將幾個DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲單元統統集成在一個芯片上，成為DSP系統級集成電路。TI公司的TMS320C80代表當今DSP領域中的最高水平，它在一塊芯片上集成了4個DSP、1個RISC處理器、1個傳輸控制器、2個視頻控制器。這樣的芯片通常稱之為MVP(多媒體視頻處理器)。它可支持各種圖像規格和各種算法，功能相當強。

2.2 高性能化

在數據量飛速提高的同時，更高的運行速度是未來DSP的必然要求和趨勢，從來沒有越發展運行速度越緩慢的可能。從我們的計算機，消費類數字產品等方面來看，更高的性能是必然的趨勢。

DSP運算速度的提高，主要依靠新工藝改進芯片結構。DSP的處理性能按照摩爾定律在飛速提高，雙核乃至六核使DSP的性能輕松實現翻番。目前，TI的TM320C6X 芯片由于采用VLIW(Very Long Instruction Word 超長指令字)結構設計，其處理速度已高達2000MIPS。TMS320C55xTM DSP 系列C55xTM DSP 內核可以為高達600 MIPS 的性能提供300 MHz 時鐘頻率。當前DSP器件大都采用0.5μm--0.35μmCMOS 工藝，按照CMOS 的發展趨勢，DSP的運算速度再提高100倍(達到1600GIPS)是完全有可能。

2.3 多核化

在多核故事不斷上演的今天，DSP同樣也在向多核轉變，特別是面向高速、高密度數據處理應用。多核DSP是面向高性能嵌入式應用而出現的一類CMP。它在單個芯片內集成了多個DSP核和其他類型的處理器核。相比單核DSP，多核DSP具有更強的并行處理能力、更優化的功耗管理方法、更方便的編程和調試手段，將成為今后高性能嵌入式應用的核心器件。

據ITRS預測，到2011年，一個芯片上可以集成的晶體管數目將達到32億個，工藝尺寸則將縮d，N 22納米。因此，構建64核以上的大規模異構多核DSP已經具備了足夠的物理基礎。但是，多核DSP的設計絕不是多個DSP內核的簡單排列或拼湊，仍然面臨著許多體系結構設計方面的挑戰。其中最主要的挑戰就是如何為多核DSP設計一種數據帶寬高、擴展性好、結構靈活、易于編程的數據存儲通路，解決多核DSP訪存延遲長、數據帶寬不足、擴展性較差等問題，滿足多核DSP更高的數據吞吐能力需求，提高訪存與計算的并行性。

在TI公布的無線基礎設施的多核DSP中，已經有一款6核方案，在未來25年可能一個DSP芯片將集成百個處理器。TI本身于2007年年初推出了用于通信的多核DSP——TNETV3020，其主要用于高密度核心網絡，采用6個DSP內核、1個開關矩陣和多種串行I/O通道，允許設計師針對通道格式轉換等任務對設計進行配置。同樣，音頻處理也需要對多任務實現高性能處理，對此，飛思卡爾新款Symphony DSP56724和DSP56725 DSP采用了一種雙核架構，允許開發人員分割處理任務，同時復用現有的代碼。用于視頻或混合音頻與視頻處理的多核DSP也已出現，例如Cradle Technologies公司的CT3616，Gennum公司的Voyageur以及Cirrus Logic公司的音頻用多核DSP

2.4 可編程化

可編程DSP[2]給生產廠商提供了很大的靈活性。生產廠商可在同一個DSP平臺上開發出各種不同型號的系列產品，以滿足不同用戶的需求。同時，可編程DSP也為廣大用戶提供了易于升級的良好途徑。人們已經發現，許多微控制器能做的事情，使用可編程DSP將做得更好更便宜。例如冰箱、洗衣機，這些原來裝有微控制器的家電如今已換成可編程DSP來進行大功率電機控制。

由于成本和功耗原因，在特別大量的應用中，通常都有可編程DSP，如手機。在很多應用中，系統廠商需要決定采用哪條路線實現大批量生產，例如目前的MP3播放器有基于ARM、DSP或ASIC三種不同的方法，它們通過不同的路線實現低成本和低功耗。總的來說，由于產品生命周期越來越短，設計師傾向于將越來越多的功能通過軟件實現。”

TI公司的C64x系列以優越內核與外設集而提供最高水平的性能。該新型芯片由TI的 eXpressDSP軟件及開發工具支持，其中包括一套具有業界領先 C 編譯程序的開發工具——Code Composer Studio (CCStudio)。CPU、系統架構及 C 編譯器工具的完美結合能夠保持系統性能的全面性，同時縮短開發時間。開發人員還可利用由TI提供的目標軟件組件，其中包括高度優化的可擴展 DSP/BIOS 實時內核、DSP 功能庫、600多種第三方算法，以及可使開發人員消除大部分最初低水平設計決策的eXpressDSP參考框架

2.5 定點DSP

自十多年前浮點數字信號處理器(DSP)誕生以來，便為實時信號處理提供了算術上更為先進的備選方案。從理論上講，雖然浮點DSP的動態范圍比定點DSP大，且更適合于DSP的應用場合，但定點運算的DSP器件的成本較低，對存儲器的要求也較低，而且耗電較省。因此，定點運算的可編程DSP器件仍是市場上的主流產品。據統計，目前銷售的DSP器件中的80%以上屬于16位定點可編程DSP器件，預計今后的比重將逐漸增大。

3 結束語

隨著微電子技術的迅速發展，DSP的性能已經比第一代產品提高幾個數量級[3]。它廣泛應用于數字通信、智能控制、消費類電子產品、軍用雷達和武器裝備等民用和軍用領域，是現代半導體產業的基礎器件之一。例如我們口常生活中使用的手機、媒體播放器、指紋識別儀、視頻監控等設備中都能夠找到DSP的影子。隨著應用范圍的不斷擴大以及市場對高性能低功耗電子產品的不斷追求，DSP將在多個領域逐漸嶄露頭角，體現出它在計算性能、系統功耗、體積和成本方面的巨大優勢。

參考文獻:

[1] 蘇家洪.DSP技術的創新發展和應用[J].中國新技術新產品，2009(20).

[2] 姚琳.未來市場-功能級SoC加可編程DSP[J].電子設計技術，2009(2).

[3] DSP將如何改變世界.[EB/OL].http://www.dianzinet.com/news/Z1/file/32716.html2007.