1.3 DSP芯片的现状及其应用

1.DSP芯片的发展

1978年，Microsystems公司的AMI子公司发布了世界上第一块单片DSP芯片S2811。1979年美国Intel公司发布了商用可编程器件2920，它是DSP芯片发展的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必需的单周期硬件乘法器。1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。1983年，日本的Fujitsu公司推出了MB8764，其指令周期为120ns，双内部总线，从而使处理器的吞吐量有了一个大的飞跃。第一个高性能的浮点DSP芯片是AT&T公司于1984年推出的DSP32。TI公司于1982年成功推出第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代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TMS320C50/C51/C52/C53/C54，以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS320C80/C82等。

自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用也越来越广泛。从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns减少到40ns，处理能力提高了10多倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40左右下降到5以下，片内RAM增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用4μm的NMOS工艺，而现在则普遍采用微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，随着DSP芯片的发展，DSP系统的成本、体积、重量和功耗有很大程度的下降。

现在，全球的DSP产品有300多种，其中定点DSP有200多种。迄今为止，生产DSP的公司有80多家，主要厂家有TI公司、AD公司、Lucent公司、Motorola公司和LSI Logic公司。TI公司作为DSP生产商的代表，生产的品种很多，定点和浮点DSP大约都占市场份额的60%；AD公司的定点和浮点DSP大约分别占16%和13%；Motorola公司的定点和浮点DSP大约分别占7%和14%；而Lucent公司则主要生产定点DSP，约占5%。

2.DSP芯片的分类

DSP芯片可以按照下列3种方式进行分类。

（1）按基础特性分类

它是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片。例如，日本OKI电气公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2xx系列芯片属于这一类。

如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码及引脚结构相互兼容，则这类DSP芯片称为一致性DSP芯片。例如，美国TI公司的TMS320C54x。

（2）按数据格式分类

它是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片，如TI公司的TMS320C1x/C2x、TMS320C2xx/C5x、TMS320C54x/C62xx系列，AD公司的ADSP21xx系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motorola公司的MC56000等。以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，如TI公司的TMS320C3x/C4x/C8x，AD公司的ADSP21xxx系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motorola公司的MC96002等。

不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，如TMS320C3x；有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式，如Motorola公司的MC96002，Fujitsu公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。

（3）按用途分类

按照DSP的用途来分类，可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片属于通用型DSP芯片。专用DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT，如Motorola公司的DSP56200，ZORAN公司的ZR34881。

3.国内DSP的发展

目前，我国DSP产品主要来自海外。TI公司的第一代产品TMS32010在1983年最早进入中国市场，以后TI公司通过提供DSP培训课程，不断扩大市场份额，现约占国内DSP市场的90%，其余为Lucent、AD、Motorola、ZSP和NEC等公司所占有。目前，全球有数百家直接依靠TI公司的DSP而成立的公司，称为TI的第三方（third party），它们有的制作DSP开发工具，有的从事DSP硬件平台开发，也有的从事DSP应用软件开发。这些公司基本上是在20世纪80年代末、90年代初才创建的，开始时往往只有几个人，经过30余年，现在均发展到相当规模。

相对于国外DSP应用开发的情况，我国的差距相当大。近年来，在国内一些专业DSP用户的推动下，我国DSP的应用日渐普及。20世纪80年代末期主要采用TMS320C25，而目前TMS320F206/F240/F2407/C5409/C5410/C6201/C6701等系列产品已经成为DSP用户的主流。

国内除了一些专业的DSP公司外，一些高校在DSP的发展上也起到了关键的作用。目前许多高校都建立了DSP实验室。

与国外相比，我国DSP的发展在硬件、软件上还有很大的差距，还有很长一段路要走。DSP毕竟是一个新兴产业，我们对DSP的应用前景充满希望和信心，也盼望有更多的高校、科研机构、公司开展DSP的应用研究，为振兴我国电子工业作出贡献。

4.DSP技术的发展趋势

数字化技术正在极大地改变着我们的生活。作为数字化技术的基石，数字信号处理技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个不可或缺的角色。DSP的核心是算法与实现，越来越多的人正在认识、熟悉和使用它。因此及时了解DSP的现状及其发展趋势，正确使用DSP芯片，才有可能真正发挥出DSP的作用。

（1）DSP内核结构进一步改善的趋势

传统的DSP芯片通过采用乘加单元和改进的哈佛结构，使其运算能力大大超越了传统的微处理器。在存储器的带宽必须能够满足由于总线数目增加所带来的数据吞吐量的提高、多个功能单元并行工作所涉及的调度算法其复杂度必须是可实现的条件下，通过增加片上运算单元的个数以及相应的连接这些运算单元的总线数目，就可以成倍地提升芯片的总体运算能力。

1997年，TI发布了基于VLIW（超长指令字）体系结构的C62xDSP内核。它在片内集成了两组完全相同的功能单元，各包括一个ALU（算术及逻辑单元）、一个乘法单元、一个移位单元和一个地址产生单元。这8个功能单元通过各自的总线与两组寄存器组连接。在理想情况下，这8个功能单元可以完全并行，从而在单周期内执行8条指令操作。VLIW体系结构使得DSP芯片的性能得到了大幅提升。VLIW结构对功能单元采用静态调度的策略，DSP内部只完成简单的指令分发，调度算法的实现可以由编译器完成。用户也可以通过手工编写汇编代码的形式实现自主调度，其好处是DSP芯片的使用难度大大降低。通过使用高效的C语言编译器，普通用户也可以开发出具有较高效率的DSP运行程序。

（2）存储器构架的趋势

随着芯片主频的不断攀升，存储器的访问速度日益成为系统性能提升的瓶颈。在现有的制造工艺下，片上存储单元的增加将导致数据线负载电容的增加，进而影响到数据线上信号的开关时间，这意味着片上高速存储单元的增加将是十分有限的。为了解决存储器速度与CPU内核速度不匹配的问题，高性能的CPU普遍采用Cache（高速缓存）机制，新的DSP芯片也开始采用这种结构。在很多情况下，采用这种多级缓存的架构可以达到采用完全片上存储器结构的系统约80%的执行效率。但是，采用Cache机制也在一定程度上增加了系统执行时间的不确定性，其对于实时系统的影响需要用户认真地加以分析和评估。Cache对于DSP芯片还是一个比较新的概念。DSP开发人员需要更深入地了解Cache的机制，相应地对算法的数据结构、处理流程及程序结构等做出调整，以提高Cache的命中率，从而更有效地发挥Cache的作用。

（3）SOC的趋势

对于特定的终端应用，SOC（系统芯片）可以兼顾体积、功耗和成本等诸多因素，因而逐渐成为芯片设计的主流。DSP器件也逐渐从传统的通用型处理器中分离出更多的直接面向特定应用的SOC器件。这些SOC器件多采用DSP+ARM的双核结构，既可以满足核心算法的实现需求，又能够满足网络传输和用户界面等需求。同时，越来越多的专用接口和协处理器被集成到芯片中，用户只需添加极少的外部芯片，即可构成一个完整的应用系统。以TI公司为例，其推出的面向第三代无线通信终端的OMAP1510芯片、面向数码相机的DM270芯片、面向专业音频设备的DA610芯片、面向媒体处理的DM642芯片等，都是SOC的典型例子。

（4）实时的趋势

实时的定义因具体应用而异。一般而言，对于逐样本（sample-by-sample）处理的系统，如果对单次样本的处理可以在相邻两次采样的时间间隔之内完成，就称这个系统满足实时性的要求，即tprocess>tsample，其中，tprocess代表系统对单次采样样本的处理时间，tsample代表两次采样之间的时间间隔。举例来说，某个系统要对输入信号进行滤波，采用的是一个100阶的FIR滤波器，即假设系统的采样率为1kHz，如果系统在1ms之内可以完成一次100阶的FIR滤波运算，就认为这个系统满足实时性的要求。如果采样率提高到10kHz，那么实时性条件也相应提高，系统必须在0.1ms内完成所有的运算。需要注意，tprocess还应当考虑各种系统开销，包括中断的响应时间、数据的吞吐时间等。

正确理解实时的概念是很重要的。工程实现的原则是“量体裁衣”，即从工程的实际需要出发设计系统，选择最合适的方案。对于DSP的工程实现而言，脱离系统的实时性要求，盲目选择高性能的DSP器件是不科学的，因为这意味着系统复杂度、可靠性设计、生产工艺、开发时间、开发成本及生产成本等方面不必要的开销。从这个角度而言，即使系统开发成功，整个工程项目可能仍然是失败的。

（5）嵌入式的趋势

世界上没有完美的处理器，DSP不是万能的。嵌入式应用对系统成本、体积和功耗等因素较敏感。DSP器件在这些方面都具有可比的优势，因此DSP器件特别适合嵌入式的实时数字信号处理应用。反过来，对于某一个具体的嵌入式的实时数字信号处理任务，DSP却往往不是唯一的，或者最佳的解决方案。越来越多的嵌入式RISC处理器开始增强数字信号处理的功能，FPGA厂商为DSP应用所做的努力一直没有停止过，针对某项特定应用的ASIC/ASSP器件的推出时间也越来越快。开发人员面临的问题是如何根据实际的应用需求客观地评价和选择处理器件。

5.DSP的应用

DSP芯片的高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。经过30余年的发展，DSP应用领域日渐宽广，DSP芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。

（1）DSP芯片的主要应用

① 信号处理——数字滤波、自适应滤波，快速傅里叶变换，相关运算，频谱分析，卷积，模式匹配，加窗，波形产生等。

② 通信——调制解调，自适应均衡，数据加密，数据压缩，回波抵消，多路复用，传真，扩频通信，纠错编码，可视电话等。

③语音处理——语音编码，语音合成，语音识别，语音增强，说话人辨认，说话人确认，语音邮件，语音存储等。

④ 图像/图形——二维图形和三维图形处理，图像压缩与传输，图像识别，机器人视觉，多媒体，动画，电子地图，图像增强等。

⑤ 军事——保密通信，雷达处理，声呐处理，导航，全球定位，跳频电台，搜索和反搜索等。

⑥ 仪器仪表——频谱分析，函数发生，数据采集，地震数据处理等。

⑦ 自动控制——控制，深空作业，自动驾驶，机器人控制，磁盘控制等。

⑧ 医疗——助听，超声设备，诊断工具，病人监护，心电图等。

⑨ 家用电器——高保真数字音响，数字电视，可视电话，音乐合成，音调控制，玩具与游戏等。

（2）DSP更是普遍应用的热门产品

随着DSP芯片性能价格比的不断提高，DSP芯片将会在更多的领域得到更为广泛的应用。

① 通信电子类（communication electronics）——蜂窝电话（cellular phone），ADSL调制解调器（Modem），线缆调制解调器（cable Modem），蓝牙技术（blue tooth）产品，数字电话应答机（digital telephone answering device），全球定位系统（global positioning system，GPS），卫星电话（satellite phone），电话会议（conference speaker phone），电视电话会议编译码器（video conferencing code），IP电话（voice over IP），IP传真（faxover IP），ATM电话（voice over ATM），智能天线（smart antenna），PCS用户端（subscriber set）。其中，DSP在通信领域的应用大约占DSP市场份额的60%。

② 计算机类（computer electronics）——计算机电话卡（computer telephone board，CTB），硬盘驱动器（hard disk driver），DDPRML读取通道（read channel），PCI声卡芯片（audio/sound chip），声卡（sound board）。

③ 消费电子类（consumer electronics）——数字多用光盘（digital versatile disk，DVD），数字电视/高清晰度电视（digital TV/HDTV），数字助听器（digital hearing aid），数字相机芯片（digital camera chip），MPEG编码器芯片（encoder chip），MPEG译码器芯片（decoder chip），MP3播放机芯片（player chip），机顶盒（set top box）。

④ 仪器电子类（instrumentation electronics）——马达控制芯片（motor control chip）。

⑤ 军事电子类（military electronics）——雷达系统（radar system），声呐系统（sonar system）。

⑥ 办公自动化设备（office automation electronics）及数字无线电广播（digital radio broadcasting，DRB）等。