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） 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,。
4．2 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(guó)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μPD7720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(guó)德克薩斯儀器公司（Texas Instruments，
簡(jiǎn)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（一次乘法和一次加法）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4μ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。
4．3 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,。
4．4 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,。
（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DSP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125μs的時(shí)間，DSP芯片的MAC周期為200μs,，則768個(gè)周期需要153.6μs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）,，一幀的時(shí)間為⊿τ（ns），則該DSP芯片在一幀內(nèi)所提供的最大運(yùn)算量為⊿τ/ P 條指令,。
4．5 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,；
（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,。
CLLOUT1
取指 N N-1 N-2
譯碼 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。
快速的指令周期哈佛結(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,。
4．6 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,。
（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(cè)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。
4．7 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(chǎng),。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/圖形--如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸,、圖像增強(qiáng),、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺等,。
（5） 軍事--如保密通信,、雷達(dá)處理、聲納處理,、導(dǎo)航等,。
（6） 儀器儀表--如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生,、鎖相環(huán),、地震處理等。
（7） 自動(dòng)控制--如引擎控制,、深空,、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制,、磁盤控制,。
（8） 醫(yī)療--如助聽、超聲設(shè)備,、診斷工具,、病人監(jiān)護(hù)等。
（9） 家用電器--如高保真音響,、音樂合成,、音調(diào)控制、玩具與游戲,、數(shù)字電話/電視等