DSP(Digital Signal Processing)芯片,即數字信號處理" title="數字信號處理">數字信號處理器,是專門為快速實現各種數字信號處理算法而設計的、具有特殊結構的微處理器,其處理速度已高達2000MIPS,比最快的CPU還快10-50倍。目前,在微電子技術發展的帶動下,DSP芯片的發展日新月異,DSP的功能日益強大,性能價格比不斷上升,開發手段不斷改進。
在當今的數字化時代背景下,DSP已成為通信、計算機、消費類電子產品" title="消費類電子產品">消費類電子產品等領域的基礎器件,被譽為信息社會革命的旗手。同時DSP已成為集成電路中發展最快的電子產品,并成為電子產品更新換代的決定因素。在國外,DSP芯片已經被廣泛地應用于當今技術革命的各個領域;在我國" title="我國">我國,DSP技術也正以極快的速度被應用在通信、電子系統、信號處理系統、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫療、家用電器、電力系統等許多領域中,而且新的應用領域在不斷地被發掘。因此基于DSP技術的開發應用正成為數字時代的應用技術潮流。
DSP的解釋可從兩方面來著手:
1. 數字訊號處理(Digital Signal Processing) 訊號(Signal)的分析或更改(Processing)是經由一順序分開以代表此訊號的數字化(Digital)格式之訊號。通常此類的處理過程需要大量的數學運算。
2. 數字訊號處理器(Digital Signal Processor) 亦即針對數字訊號處理(Digital Signal Processing)發展出的處理器。這一類芯片的特點,是經由硬件的設計,使一般數字訊號處理的運算速度加快,以及提升程序化的方便程度。他與一般計算機 CPU最大的差異,在于DSP對數學運算較擅長(注: 我們可以DSPs - Digital Signal Processors來區別DSP - Digital Signal Processing)。
DSP技術的特點
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。DSP器件就是為了滿足數字信號處理而制造的一類專用微處理器,一般具有以下幾個特點:
1、 在單指令周期" title="指令周期">指令周期類完成乘加運算。
2、 高速的運算能力。
3、 一般采用哈佛結構和流水線技術。
4、 芯片具有滿足數字信號算法特殊要求的功能,如為了支持Viterbi蝶形算法而設計的比特反轉尋址。
5、 數據交換能力高。
6、 支持并行處理指令。
7、 哈佛結構,程序空間和數據空間分開,可同時取指令和操作數。
8、 流水線結構,能保證數字信號處理中用的最多的乘法累加運算可以在單個指令周期內完成。
9、 多處理單元,一些特殊算法可在芯片內部用硬件實現以提高運行速度。如FFT的位碼倒置尋址和取模運算。特別適用于FIR和IIR濾波器。
10、 指令周期短。C54X 100MIPS(十億條指令每秒) C6X 2400MIPS。
11、 運算精度高:40位。
12、 硬件配置強,具有多通道高速緩沖串口MCBSP、并行主機接口HPI、DMA控制器、軟件可編程等待狀態發生器、鎖相環PLL時鐘發生器、以及實現在線仿真的測試口。
國際知名 DSP 廠家
世界上第一個單片 DSP 芯片應當是1978年 AMI公司發布的 S2811,1979年美國Intel公司發布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個主要里程碑。這兩種芯片內部都沒有現代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980 年,日本 NEC 公司推出的μP D7720是第一個具有乘法器的商用 DSP 芯片。
在這之后,最成功的DSP 芯片當數美國德州儀器公司(TI)的一系列產品。TI 公司在1982年成功推出其第一代 DSP 芯片 TMS32010及其系列產品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等,之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28,第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32,第四代DSP芯片TMS320C40/C44,第五代 DSP 芯片TMS320C5X/C54X,第二代DSP芯片的改進型TMS320C2XX,集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列,即:TMS320C2000系列(包括TMS320C2X/C2XX)、TMS320C5000系列(包括TMS320C5X/C54X/C55X)、TMS320C6000系列(TMS320C62X/C67X)。如今,TI公司的一系列DSP產品已經成為當今世界上最有影響的DSP芯片。TI公司也成為世界上最大的 DSP 芯片供應商,其DSP市場份額占全世界份額近 50%。同時在工控等高端應用市場,Freescale和ADI公司的DSP也大放光芒。
DSP中國市場現狀
我國DSP市場規模迅速擴大,主要得益于我國移動電話市場、數字消費市場以及自動控制市場規模的增長。
1、 三大領域帶動DSP持續增長
在我國市場上,移動電話、數碼相機等DSP產品的主要應用領域走勢良好,需求旺盛,推動著DSP市場持續增長。在無線領域,我國手機用戶繼續大規模增加,手機需求的大幅增加帶動了我國DSP市場的高速增長。在數字消費領域,我國新興的數字消費類電子產品進入增長活躍期,市場呈現高增長態勢,用戶認知率和普及率大幅提高,數碼消費市場的高速增長推動了DSP市場的發展。此外,計算機、通信和消費類電子產品的數字化融合也為DSP提供了進一步的發展機會。
目前,在VoIP、DSL、Cable Modem、3G、數字相機和馬達控制等需要實時處理大量數字信息的應用中,都可見到DSP的身影,DSP無疑已經成為推動數字化進程的動力。
2、 新應用層出不窮?
DSP應用的快速發展為數字信息產品帶來廣闊的發展空間,并將支持通信、計算機和消費類電子產品的數字化融合。在無線領域,DSP遍及無線交換設備、基站、手持終端和網絡領域,并涵蓋從骨干基礎設施到寬帶入戶的設備,包括VoIP網關和IP電話、DSL和Cable Modem等。面向群體應用,DSP在媒體網關、視頻監控、專業音響、數字廣播、激光打印等應用中表現出色;面向個人應用,DSP在便攜式數字音頻和影像播放器、指紋識別和語音識別等應用中表現不俗;針對嵌入式數字控制應用,DSP極大地滿足了工業界的需求,如數字變頻電力電源設備、工業縫紉機等;DSP也極大地滿足了消費電子的需求,如空調、冰箱、洗衣機等。
著DSP生產技術和工藝的進步,新型的DSP產品將會不斷涌現,并得到廣泛應用。
DSP選型的策略
DSP器件按設計要求可以分為兩類。
第一類,應用領域為廉價的、大規模嵌入式應用系統,如手機、磁盤驅動(DSP用作伺服電機控制)以及便攜式數字音頻播放器等。在這些應用中價格和集成度是最重要的考慮因素。對于便攜式電池供電的設備,功耗也是一個關鍵的因素。盡管這些應用常常需要開發運行于DSP的客戶應用軟件和外圍支持硬件,但易于開發的要求仍然是次要的因素,因為批量生產可以分攤開發成本,從而降低單位產品的開發成本。
另外一類是需要用復雜算法對大量數據進行處理的應用,例如聲納探測和地震探測等,也需要用DSP器件。該類設備的批量一般較小、算法要求苛刻、產品很大而且很復雜。所以設計工程師" title="設計工程師">設計工程師在選擇處理器時會盡量選擇性能最佳、易于開發并支持多處理器的DSP器件。有時,設計工程師更喜歡選用現成的開發板來開發系統而不是從零開始硬件和軟件設計,同時可以采用現成的功能庫文件開發應用軟件。
在實際設計時應根據具體的應用選擇合適的DSP。不同的DSP有不同的特點,適用于不同的應用,在選擇時可以遵循以下要點:
1、 算法格式
2、 數據寬度
3、 DSP的速度
4、 存儲器管理
5、 開發的簡便性
6、 支持多處理器
7、 電源管理和功耗
8、 成本因素
結論
DSP處理器存在兩種發展趨勢:一是DSP應用越來越多,如手機和便攜式音頻播放器等。DSP將集成更多功能,如A/D轉換、LCD控制器等,系統成本和器件數將會大為降低。另一個趨勢是將DSP作為IP出售,如億恒科技公司的Camel和TriCore內核。隨著EDA工具的不斷成熟,系統設計工程師將更容易地修改DSP內核,加入用戶專用外圍電路以實現更專業化、更低成本的DSP解決方案。
附注:
1、 國際知名的DSP廠家:TI、ADI、Freescale
2、 TI公司產品系列有TMS320C2000/C3000/C5000/C6000系列
3、 ADI公司產品系列有ADSP-21XX系列