一、芯片的基本結構

　　為了快速地實(shí)現數字信號處理運算，DSP芯片一般都采用特殊的軟硬件結構。下面簡(jiǎn)單介紹DSP芯片的基本結構。

　?。?）哈佛結構

　　主要特點(diǎn)是將程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器是兩個(gè)相互獨立的存儲器，每個(gè)存儲器獨立編址，獨立訪(fǎng)問(wèn)。與兩個(gè)存儲器相對應的是系統中設置了程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，從而使數據的吞吐率提高了一倍。由于程序和數據在兩個(gè)分開(kāi)的空間，因此取指和執行能完全重疊。

　?。?）流水線(xiàn)操作

　　流水線(xiàn)與哈佛結構相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線(xiàn)以減少指令執行時(shí)間，從而增強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(xiàn)的不同階段。下面所列是一個(gè)三級流水線(xiàn)操作的例子：

　　CLLOUT1

　　取指NN-1N-2；

　　譯碼N-1NN-2；

　　執行N-2N-1N，

　?。?）專(zhuān)用的硬件乘法器

　　專(zhuān)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(zhuān)用的應用乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內完成。

　?。?）特殊的DSP指令

　　DSP是采用特殊的指令。

　?。?）快速的指令周期

　　特殊的DSP指令，DSP芯片是采用特殊的指令?？焖俚闹噶钪芷?、哈佛結構、流水線(xiàn)操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的DSP指令，再加上集成電路的優(yōu)化設計可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

　　二、DSP系統的特點(diǎn)是什么

　　數字信號處理有別于普通的科學(xué)計算與分析，它強調運算處理的實(shí)時(shí)性，因此DSP除了具備普通微處理器所強調的高速運算和控制功能外，針對實(shí)時(shí)數字信號處理，在處理器結構、指令系統、指令流程上具有許多新的特征，其特點(diǎn)如下：

　　三、算術(shù)單元

　　具有硬件乘法器和多功能運算單元，硬件乘法器可以在單個(gè)指令周期內完成乘法操作，這是DSP區別于通用的微處理器的一個(gè)重要標志。多功能運算單元可以完成加減、邏輯、移位、數據傳送等操作。新一代DSP內部甚至還包含多個(gè)并行的運算單元，以提高其處理能力。針對濾波、相關(guān)、矩陣運算等需要大量乘和累加運算的特點(diǎn)，DSP的算術(shù)單元的乘法器和加法器，可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成相乘、累加兩個(gè)運算。近年出現的一些DSP如ADSP2106X、DSP96000系列DSP可以同時(shí)進(jìn)行乘、加、減運算，大大加快了FFT的蝶形運算速度。

　　四、總線(xiàn)結構

　　傳統的通用處理器采用統一的程序和數據空間、共享的程序和數據總線(xiàn)結構，即所謂的馮.諾依曼結構。DSP普遍采用了數據總線(xiàn)和程序總線(xiàn)分離的哈佛結構或者改進(jìn)的哈佛結構，極大地提高了指令執行速度。片內的多套總線(xiàn)可以同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數據存取操作，許多DSP片內嵌有DMA控制器，配合片內多總線(xiàn)結構，使數據塊傳送速度大大提高。

　　專(zhuān)用尋址單元

　　DSP面向數據密集型應用，伴隨著(zhù)頻繁的數據訪(fǎng)問(wèn)，數據地址的計算也需要大量時(shí)間。DSP內部配置了專(zhuān)用的尋址單元，用于地址的修改和更新，它們可以在尋址訪(fǎng)問(wèn)前或訪(fǎng)問(wèn)后自動(dòng)修改內容，以指向下一個(gè)要訪(fǎng)問(wèn)的地址。地址的修改和更新與算術(shù)單元并行工作，不需要額外的時(shí)間。DSP的地址產(chǎn)生器支持直接尋址、間接尋址操作，大部分DSP還支持位反轉尋址（用于FFT算法）和循環(huán)尋址（用于數字濾波算法）。

　　五、片內存儲器

　　針對數字信號處理的數據密集運算的需要，DSP對程序和數據訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)間要求很高，為了減小指令和數據的傳送時(shí)間，許多DSP內部集成了高速程序存儲器和數據存儲器，以提高程序和數據訪(fǎng)問(wèn)存儲器的速度。

　　六、流水處理技術(shù)

　　DSP大多采用流水技術(shù)，即將一條指令的執行過(guò)程分解成取指、譯碼、取數、執行等若干個(gè)階段，每個(gè)階段稱(chēng)為一級流水。每條指令都由片內多個(gè)功能單元分別完成取指、譯碼、取數、執行等操作，從而在不提高時(shí)鐘頻率的條件下減少了每條指令的執行時(shí)間。

　　七、DSP與其它處理器的差別

　　數字信號處理器（DSP）、通用微處理器（MPU）、微控制器（MCU）三者的區別在于：DSP面向高性能、重復性、數值運算密集型的實(shí)時(shí)處理；MPU大量應用于計算機；MCU則適用于以控制為主的處理過(guò)程。

　　八、DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)

　　DSP的運算速度比其它處理器要高得多，以FFT為例，高性能DSP不僅處理速度是MPU的4～10倍，而且可以連續不斷地完成數據的實(shí)時(shí)輸入／輸出。DSP結構相對單一，普遍采用匯編語(yǔ)言編程，其任務(wù)完成時(shí)間的可預測性相對于結構和指令復雜（超標量指令）、嚴重依賴(lài)于編譯系統的MPU強得多。以一個(gè)FIR濾波器實(shí)現為例，每輸入一個(gè)數據，對應每階濾波器系數需要一次乘、一次加、一次取指、二次取數，還需要專(zhuān)門(mén)的數據移動(dòng)操作，DSP可以單周期完成乘加并行操作以及3～4次數據存取操作，而普通MPU完成同樣的操作至少需要4個(gè)指令周期。因此，在相同的指令周期和片內指令緩存條件下，DSP的運算速度可以超過(guò)MPU運算速度的4倍以上。

　　九、DSP芯片的浮點(diǎn)與定點(diǎn)之分

　　在選擇DSP器件的時(shí)候，是采用浮點(diǎn)還是采用定點(diǎn)，如果用定點(diǎn)是16位還是32位？其實(shí)這個(gè)問(wèn)題和你的算法所要求的信號的動(dòng)態(tài)范圍有關(guān)。

　　浮點(diǎn)運算DSP比定點(diǎn)運算DSP的動(dòng)態(tài)范圍（動(dòng)態(tài)范圍：如音響系統重放時(shí)最大不失真輸出功率與靜態(tài)時(shí)系統噪聲輸出功率之比的對數值，又如一個(gè)多媒體硬盤(pán)播放器輸出圖像的最亮和最暗部分之間的相對比值）要大很多。定點(diǎn)DSP的字長(cháng)每增加1bit，動(dòng)態(tài)范圍擴大6dB，16bit字長(cháng)的動(dòng)態(tài)范圍為96dB。程序員必須時(shí)刻關(guān)注溢出的發(fā)生。例如：在做圖像處理時(shí)，圖像做旋轉、移動(dòng)等，就很容易產(chǎn)生溢出。這時(shí)，要么不斷地移位定標，要么作截尾。前者要耗費大量的程序空間和執行時(shí)間，后者則很快帶來(lái)圖像質(zhì)量的劣化?？傊?，是使整個(gè)系統的性能下降。在處理低信噪比信號的場(chǎng)合，例如進(jìn)行語(yǔ)音識別、雷達和聲納信號處理時(shí)，也會(huì )發(fā)生類(lèi)似的問(wèn)題。而32bit浮點(diǎn)運算DSP的動(dòng)態(tài)范圍可以作到1536dB，這不僅大大擴大了動(dòng)態(tài)范圍，提高了運算精度，還大大節省了運算時(shí)間和存儲空間，因為大大減少了定標，移位和溢出檢查。

　　由于浮點(diǎn)DSP的浮點(diǎn)運算用硬件來(lái)實(shí)現，可以在單周期內完成，因而其處理速度大大高于定點(diǎn)DSP，這一優(yōu)點(diǎn)在實(shí)現高精度復雜算法時(shí)尤為突出。

　　定點(diǎn)的計算不過(guò)是把一個(gè)數據當作整數來(lái)處理，通常AD采樣來(lái)的都是整數，這個(gè)數相對于真實(shí)的模擬信號有一個(gè)刻度因子，大家都知道用一個(gè)16位的AD去采樣一個(gè)0到5V的信號，那么AD輸出的整數除以2^16再乘以5V就是對應的電壓。在定點(diǎn)DSP中是直接對這個(gè)16位的采樣進(jìn)行處理，并不將它轉換成以小數表示的電壓，因為定點(diǎn)DSP無(wú)法以足夠的精度表示一個(gè)小數，它只能對整數進(jìn)行計算。而浮點(diǎn)DSP的優(yōu)勢在于它可以把這個(gè)采樣得到的整數轉換成小數表示的電壓，并不損失精度（這個(gè)小數用科學(xué)記數法來(lái)表示），原因在于科學(xué)記數法可以表示很大的動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)信號，以IEEE754浮點(diǎn)數為例，單精度浮點(diǎn)格式：[31]1位符號[30-23]8位指數[22-00]23位小數。這樣的能表示的最小的數是+-2^-149,最大的數是+-（2-2^23)*2^127，動(dòng)態(tài)范圍為20*log(最大的數/最小的數）=1667.6dB這樣大的動(dòng)態(tài)范圍使得在編程的時(shí)候幾乎不必考慮乘法和累加的溢出，而如果使用定點(diǎn)處理器編程，對計算結果進(jìn)行舍入和移位則是家常便飯，這在一定程度上會(huì )損失精度。原因在于定點(diǎn)處理的信號的動(dòng)態(tài)范圍有限，比如16位定點(diǎn)DSP，可以表示整數范圍為1-65536，其動(dòng)態(tài)范圍為20*log(65536/1)=96dB.對于32定點(diǎn)DSP，動(dòng)態(tài)范圍為20*log(2^32/1)=192dB,遠小于32位ieee浮點(diǎn)數的1667.6dB，但是實(shí)際上192dB對絕大多數應用所處理的信號已經(jīng)足夠了。由于A(yíng)D轉換器的位數限制，一般輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍都比較小，但在DSP的信號處理中，由于點(diǎn)積運算會(huì )使中間節點(diǎn)信號的動(dòng)態(tài)范圍增加，所以主要考慮信號處理流程中中間結果的動(dòng)態(tài)范圍，以及算法對中間結果的精度要求，來(lái)選擇相應的DSP。另外就是浮點(diǎn)的DSP更易于編程，定點(diǎn)DSP編程中程序員要不斷調整中間結果的PQ值，實(shí)際就是不斷對中間結果進(jìn)行移位調整和舍入。

　　實(shí)數運算可直接透過(guò)代碼加入硬件運算中，而定點(diǎn)元件必須透過(guò)軟件才能間接執行實(shí)數運算，這就增加了運算法指令并延長(cháng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　整體上說(shuō)，定點(diǎn)DSP在成本上具有優(yōu)勢而浮點(diǎn)DSP在易用上較優(yōu)。

　　十、DSP芯片的發(fā)展現狀與應用

　　自從DSP芯片誕生以來(lái)，DSP芯片得到了飛速的發(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)在信號處理、通信等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

　　對于DSP芯片的發(fā)展現狀和DSP如何與其他產(chǎn)品搭配應用解決方案?？低暤狞S田作出了如下這樣的看法：DSP芯片已經(jīng)在向專(zhuān)業(yè)化、多元化方向發(fā)展，各廠(chǎng)家的市場(chǎng)劃分越來(lái)越細，差異性也越來(lái)越大。另外，單純的DSP芯片已經(jīng)不多見(jiàn)，更多的是DSP芯片與其它處理核心集成在一起，形成一個(gè)集成度高、針對性強的SOC，不僅極大地降低了板級空間，也帶來(lái)了功耗、成本以及開(kāi)發(fā)周期的全面優(yōu)勢，從而推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品性能的提高。

　　DSP的優(yōu)勢在于靈活的算法集成，可以給產(chǎn)品提供強大的性能以及靈活的定制，同一產(chǎn)品針對各類(lèi)客戶(hù)不同的需求實(shí)現不同的解決方案。為了提高產(chǎn)品的競爭力，廠(chǎng)商都會(huì )在算法上做足文章，算法變得越來(lái)越復雜，但是算法的穩定性、產(chǎn)品的功耗、開(kāi)發(fā)周期等都會(huì )成為難以駕馭的風(fēng)險。DSP算法不是一大堆理論公式的堆砌，而是與所使用DSP芯片的具體特點(diǎn)緊密結合的精致軟件。這些因素在產(chǎn)品設計時(shí)就需要予以充分考慮，不要為了一些噱頭功能而盲目采用所謂的先進(jìn)算法和高性能DSP，而是要從用戶(hù)需求出發(fā)，尋找算法與DSP的最佳組合。在產(chǎn)品方案中，算法和DSP是核心，這個(gè)組合確定了，再去搭配其它的處理芯片和外圍設備，才能形成一套高效的產(chǎn)品解決方案。

　　目前DSP技術(shù)應用從軍用到民用，從航空航天到生產(chǎn)生活，都越來(lái)越多地使用DSP。DSP技術(shù)在航空航天方面，主要用于雷達和聲納信號處理；在通信方面，主要用于移動(dòng)電話(huà)、IP電話(huà)(voiceoverIP)、ADSL和HFC的信號傳輸；在控制方面，主要用于電機控制、光驅和硬盤(pán)驅動(dòng)器；在測試/測量方面，主要用于虛擬儀器、自動(dòng)測試系統、醫療診斷等；在電子娛樂(lè )方面，主要用于高清晰度電視(HDTV)、機頂盒(STB)、AC-3、家庭影院、DVD等應用；在圖像/圖形上，主要用于二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動(dòng)畫(huà)等；還有數字相機、網(wǎng)絡(luò )相機等等都應用了DSP技術(shù)。同時(shí)，SOC芯片系統、無(wú)線(xiàn)應用、嵌入式DSP都是未來(lái)DSP的發(fā)展方向和趨勢?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有DSP就沒(méi)有對互聯(lián)網(wǎng)的訪(fǎng)問(wèn)，也不會(huì )有多媒體，也沒(méi)有無(wú)線(xiàn)通信。因此，DSP仍將是整個(gè)半導體工業(yè)的技術(shù)驅動(dòng)力?，F在，DSP應用領(lǐng)域不斷拓寬，其函蓋面包括寬帶Internet接入業(yè)務(wù)、下一代無(wú)線(xiàn)通信系統的發(fā)展、數字消費電子市場(chǎng)、汽車(chē)電子市場(chǎng)的發(fā)展等諸多方面。

　　十一、DSP芯片的分類(lèi)

　　為不同算法而專(zhuān)門(mén)設計的DSP芯片可以分為基礎特性、數據格式和按用途分三大類(lèi)。

　　按基礎特性分，根據DSP芯片的工作時(shí)鐘和指令類(lèi)型來(lái)分類(lèi)的。如果DSP芯片在某時(shí)鐘頻率范圍內的任何頻率上能正常工作，除計算速度有變化外，沒(méi)有性能的下降，這類(lèi)DSP芯片一般稱(chēng)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的機器代碼機管腳結構相互兼容,則這類(lèi)DSP芯片稱(chēng)之為一致性的DSP芯片。

　　按數據格式分，這是根據DSP芯片工作的數據格式來(lái)分類(lèi)的。數據以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱(chēng)之為定點(diǎn)DSP芯片。以浮點(diǎn)格式工作的稱(chēng)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的標準浮點(diǎn)格式。

　　按用途分，可分為通用型DSP芯片和專(zhuān)用型的DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應用，如TI公司的一系列DSP芯片。專(zhuān)用型DSP芯片是為特定的DSP運算而設計，更適合特殊的運算，如數字濾波，卷積和FFT等。

　　結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)安防行業(yè)的高速發(fā)展，特別是高清和智能化需求的井噴，整個(gè)行業(yè)已經(jīng)全面進(jìn)入數字化時(shí)代，而作為數字化安防產(chǎn)品的核心，安防芯片已經(jīng)成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。對于不斷涌現的算法需求來(lái)說(shuō)，DSP的處理能力永遠是不夠的，算法開(kāi)發(fā)人員需要不斷在性能指標和DSP的處理能力之間做平衡，是少做一次循環(huán)，還是允許偶爾丟幀，類(lèi)似這樣，如果無(wú)法做取舍，則需要進(jìn)一步對算法進(jìn)行優(yōu)化，可能是算法架構上的，也可能是匯編代碼級的。片內緩存是影響算法性能的一個(gè)重要因素，DDR帶寬則往往是系統級的。由于DSP精于計算，而不善于邏輯處理，特別是網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、數據庫管理方面，因此DSP往往與其它芯片配合使用。目前DSP+ARM基本上都集成到一個(gè)SOC中，盡管如此，對于軟件開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，DSP和ARM還都是分開(kāi)的。在需要更高處理性能的領(lǐng)域，往往采用多片DSP共同處理的方式。

        文章來(lái)源：安防知識網(wǎng)

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