關(guān)于DSP分類及發(fā)展趨勢的概述

汪揚埔

摘 要 數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor， 簡稱DSP）它是為獨立快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理、運算而專門設(shè)計的一種處理器件，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，DSP已被廣泛應(yīng)用于電器控制、通信、信號處理、儀器儀表、航天航空、生物醫(yī)藥和消費電子等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞 DSP 數(shù)字信號處理 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

1 關(guān)于DSP芯片的發(fā)展和分類

DSP的概念的萌芽誕生于美國的大學(xué)，而在DSP芯片出現(xiàn)以前，實時信號的處理一般是在通用處理器上完成。直到上世紀70年代末才出現(xiàn)了專門的可編程數(shù)字信號處理器。縱觀DSP芯片的發(fā)展歷程，可以將其分為三個階段：

第一階段，DSP的雛形階段。1980年前后，在DSP芯片出現(xiàn)之前，數(shù)字信號處理只能依靠通用MPU來完成，但是MPU較低的數(shù)字信號處理速度和高能耗難以滿足高速實時的處理要求。1978年AMI公司發(fā)布了世界上第一塊DSP 芯片—— S2811，隨后各大集成電路廠商相繼推出了各自的DSP芯片。這個時期的DSP芯片由于內(nèi)部沒有專門的單周期硬件乘法器，使芯片的運算速度、數(shù)據(jù)處理能力和運算精度受到了很大的限制。

第二階段，DSP的成熟階段。1990年前后，國際上許多著名的集成電路廠家都相繼推出自己的成熟的DSP產(chǎn)品。如：Motorola公司的DSP5600、9600系列，TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，AT&T公司的DSP32等。

第三階段，DSP的完善階段。2000年以后，DSP芯片不僅信號處理能力更加完善，而且系統(tǒng)開發(fā)更加方便，程序編輯調(diào)試更加靈活，功耗進一步降低，成本大幅下降，系統(tǒng)集成度更高，大大提高了數(shù)字信號的處理能力。這一時期的DSP芯片另外一個最大的特點是實現(xiàn)了指令的多發(fā)射，一般采用超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，還有一些采用單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）結(jié)構(gòu)，其時鐘頻率可高達1GHz以上，可在Windows環(huán)境下直接用C語言編程。

經(jīng)過了快半個世紀的發(fā)展，目前市場上已有上百種DSP芯片，即使是同一公司的產(chǎn)品，每款DSP芯片在結(jié)構(gòu)和性能上都有很大的差異，通常DSP芯片可以按照下列三種方式分類：

（1）按基礎(chǔ)特性分類。這是根據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。如果在某時鐘頻率范圍內(nèi)，DSP都能正常工作，除計算機速度有變化外，沒有性能上的下降，這種芯片稱為靜態(tài)DSP芯片。如果兩種或更多的DSP芯片，它們的指令集、機器代碼及引腳結(jié)構(gòu)相互兼容，稱之為一致性DSP。

（2）按數(shù)據(jù)格式分類可分為即定點數(shù)據(jù)格式和浮點數(shù)據(jù)格式。

（3）按用途分類可以分為通用型DSP和專用型DSP。通用型適合普通的DSP應(yīng)用。而專用型DSP是為特定的功能、運算設(shè)計的，如數(shù)字濾波、卷積和FFT等。

世界上主要的DSP制造商有四家：德州儀器（TI）、摩托羅拉（Motorola）、朗訊科技（Lucent）和模擬器件公司（ADI），其中TI公司獨占鰲頭，占世界市場45%的份額。TI公司多年來不斷發(fā)展，開發(fā)了一個龐大的DSP家族——TMS320家族。在這個家族中，主要可以分為三大系列：

（1）TMS320C2000系列，包括C20x、C24x、C24xx、C28x等，該系列產(chǎn)品主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)；

（2）TMS320C5000系列，包括C54x、C55x等，該系列主要用于低功耗、便攜式的無線終端產(chǎn)品；

（3）TMS320C6000系列，包括C62x、C67x、C64x等，該系列產(chǎn)品主要用于高性能復(fù)雜的通訊系統(tǒng)或者其他一些高端應(yīng)用，如圖像處理等。

2 DSP芯片的趨勢和應(yīng)用

與國外相比，國內(nèi)對DSP方面的研究起步較晚、差距較大。隨著應(yīng)用對DSP的要求越來越苛刻以及設(shè)計方法和工藝的日益進步，DSP技術(shù)預(yù)計將向著以下幾個方面發(fā)展：

（1）更高的集成度。縮小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術(shù)發(fā)展方向。當前的DSP多數(shù)基于RISC（精簡指令集計算）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)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內(nèi)核，并將幾個DSP內(nèi)核、MPU內(nèi)核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個芯片上，成為DSP系統(tǒng)級集成電路。這樣的集成縮小了整機的體積，縮短了產(chǎn)品上市的時間，是一個重要的發(fā)展趨勢。

（2）DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進一步改善。DSP的結(jié)構(gòu)主要是針對應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化DSP設(shè)計以改進產(chǎn)品的性能。多通道結(jié)構(gòu)和單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）、超長指令字結(jié)構(gòu)（VLIW）、超標量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴展的超級哈佛結(jié)構(gòu)在新的高性能DSP芯片中將占據(jù)主導(dǎo)地位。

（3）向低功耗方向發(fā)展。便攜式數(shù)字終端設(shè)備是DSP芯片最重要的應(yīng)用市場之一，如何在保證高性能的同時降低功耗是未來DSP芯片設(shè)計時首先考慮的問題。

（4）可編程DSP將成為主導(dǎo)產(chǎn)品。可編程DSP給生產(chǎn)廠商提供了很大的靈活性。生產(chǎn)廠商可在同一個DSP平臺上開發(fā)出各種不同型號的系列產(chǎn)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。

（5）追求更高的運算速度。隨著VLIW技術(shù)和靜態(tài)超標量技術(shù)在DSP應(yīng)用上獲得巨大成功，DSP處理器在體系結(jié)構(gòu)上可挖掘的空間進一步加大，通過增加CPU的運算單元數(shù)量就可以顯著提高處理器的性能。

（6）定點DSP將成為市場主流。雖然浮點DSP的運算精度更高，動態(tài)范圍更大，但定點DSP器件的成本較低，對存儲器的要求也較低，而且耗電較小。因此，定點運算的可編程DSP器件將成為市場上的主流產(chǎn)品。

（7）嵌入式DSP系統(tǒng)。嵌入式DSP系統(tǒng)是將DSP芯片嵌入到應(yīng)用電子系統(tǒng)中的一種通用系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既具有DSP器件在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，又具有應(yīng)用目標所需要的技術(shù)特征。因此，嵌入式DSP系統(tǒng)，將成為DSP技術(shù)發(fā)展的一種新潮流。