類型：轉(zhuǎn)載 作者：電子科技大學(xué)DSP實(shí)驗(yàn)室 最后更新：2004-3-29 20:55:42 推薦指數(shù): 4232
信息化的基礎(chǔ)是數(shù)字化。
數(shù)字化的核心技術(shù)之一是數(shù)字信號(hào)處理。
數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù)在很大程度上需要由DSP器件來(lái)完成。
DSP技術(shù)已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的并得到迅速發(fā)展的前沿技術(shù)。
DSP是一種快速?gòu)?qiáng)大的微處理器，獨(dú)特之處在于它能即時(shí)處理資料，正是這項(xiàng)即時(shí)能力使得DSP最適合支援無(wú)法容忍任何延遲的應(yīng)用。舉例來(lái)說(shuō)，您是否曾使用過(guò)一種不允許雙方同時(shí)說(shuō)話的手機(jī)？您必須等到對(duì)方把話說(shuō)完后，您才能接著說(shuō)；如果您們兩個(gè)人同時(shí)講話，訊號(hào)就會(huì)被切斷，使您聽(tīng)不到對(duì)方聲音。今日的數(shù)位手機(jī)則允許您以正常方式交談，因?yàn)樗捎昧薉SP。
行動(dòng)電話內(nèi)的DSP能以超高速度處理語(yǔ)音，使您能即時(shí)聽(tīng)到對(duì)方的說(shuō)話，完全感受不到任何延遲。再以相同應(yīng)用為例，早期的行動(dòng)電話常會(huì)出現(xiàn)回音，但數(shù)位行動(dòng)電話卻能將回音和通話停頓的現(xiàn)象完全消除。DSP會(huì)以聲音之類的真實(shí)世界訊號(hào)為目標(biāo)，透過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算改變它的特性，以便得到更佳音質(zhì)；DSP還能壓縮資料(您的聲音)，消除背景雜訊，使您的聲音能以更高速率傳送，進(jìn)而提供清徹?zé)o比的通話品質(zhì)，沒(méi)有惱人的回聲。
這是DSP用途的最簡(jiǎn)單解釋。要改善訊號(hào)，您需要數(shù)位訊號(hào)，然后對(duì)它進(jìn)行處理，結(jié)果可能是更清晰的聲音、更銳利的畫(huà)面或是更快速的資料；而這項(xiàng)訊號(hào)加強(qiáng)能力也帶來(lái)突破性的新應(yīng)用，例如網(wǎng)路音樂(lè)和家庭寬頻都因此得以實(shí)現(xiàn)。
Digital Signal Processing 數(shù)字信號(hào)處理
作為一個(gè)案例研究，我們來(lái)考慮數(shù)字領(lǐng)域里最通常的功能：濾波。簡(jiǎn)單地說(shuō)，濾波就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，以改善其特性。例如，濾波可以從信號(hào)里清除噪聲或靜電干擾，從而改善其信噪比。為什么要用微處理器，而不是模擬器件來(lái)對(duì)信號(hào)做濾波呢？我們來(lái)看看其優(yōu)越性：
模擬濾波器（或者更一般地說(shuō)，模擬電路）的性能要取決于溫度等環(huán)境因素。而數(shù)字濾波器則基本上不受環(huán)境的影響。 數(shù)字濾波易于在非常小的寬容度內(nèi)進(jìn)行復(fù)制，因?yàn)槠湫阅懿⒉蝗Q于性能已偏離正常值的器件的組合。 一個(gè)模擬濾波器一旦制造出來(lái)，其特性（例如通帶頻率范圍）是不容易改變的。使用微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器，就可以通過(guò)對(duì)其重新編程來(lái)改變?yōu)V波的特性。
信號(hào)處理方式的比較
比較因素
模擬方式
數(shù)字方式
修改設(shè)計(jì)的靈活性
修改硬件設(shè)計(jì)，或調(diào)整硬件參數(shù)改變軟件設(shè)置
精度
元器件精度A/D的位數(shù)和計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)，算法
可靠性和可重復(fù)性
受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場(chǎng)等的干擾和影響大不受這些因素的影響
大規(guī)模集成
盡管已有一些模擬集成電路，但品種較少、集成度不高、價(jià)格較高DSP器件體積小、功能強(qiáng)、功耗小、一致性好、使用方便、性能/價(jià)格比高
實(shí)時(shí)性
除開(kāi)電路引入的延時(shí)外，處理是實(shí)時(shí)的 由計(jì)算機(jī)的處理速度決定
高頻信號(hào)的處理
可以處理包括微波毫米波乃至光波信號(hào)按照奈準(zhǔn)則的要求，受S/H、A/D和處理速度的限制
Digital Signal Processor 數(shù)字信號(hào)處理器
微處理器（Microprocessor）的分類
通用處理器（GPP）
采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間合二而一 8-bit Apple（6502），NEC PC-8000（Z80） 8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/ Pentium III PowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc，DEC Alpha, HP） CISC 復(fù)雜指令計(jì)算機(jī), RISC 精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī) 采取各種方法提高計(jì)算速度，提高時(shí)鐘頻率，高速總線，多級(jí)Cashe，協(xié)處理器等
Single Chip Computer/ Micro Controller Unit（MCU）
除開(kāi)通用CPU所具有的ALU和CU，還有存儲(chǔ)器（RAM/ROM）寄存器，時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器，定時(shí)器，串/并口，有的還有A/D，D/A INTEL MCS/48/51/96（98） MOTOROLA HCS05/011
DSP
采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ) 采用一系列措施保證數(shù)字信號(hào)的處理速度，如對(duì)FFT的專門優(yōu)化
MCU與DSP的簡(jiǎn)單比較
MCU
DSP
低檔
高檔
低檔
高檔
指令周期(ns)
600
40
50
5
乘加時(shí)間(ns)
1900
80
50
5
US$/MIPS
1.5
0.5
0.15
0.1
DSP處理器與通用處理器的比較
考慮一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)例，比如有限沖擊響應(yīng)濾波器（FIR）。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，F(xiàn)IR濾波器是做一系列的點(diǎn)積。取一個(gè)輸入量和一個(gè)序數(shù)向量，在系數(shù)和輸入樣本的滑動(dòng)窗口間作乘法，然后將所有的乘積加起來(lái)，形成一個(gè)輸出樣本。
類似的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中大量地重復(fù)發(fā)生，使得為此設(shè)計(jì)的器件必須提供專門的支持，促成了了DSP器件與通用處理器（GPP）的分流：
1 對(duì)密集的乘法運(yùn)算的支持
GPP不是設(shè)計(jì)來(lái)做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現(xiàn)代的GPP，也要求多個(gè)指令周期來(lái)做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)單周期乘法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來(lái)處理多個(gè)乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱為結(jié)果bits的額外bits來(lái)避免溢出。
同時(shí)，為了充分體現(xiàn)專門的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。
2 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)上，GPP使用馮.諾依曼存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)存儲(chǔ)器空間通過(guò)一組總線（一個(gè)地址總線和一個(gè)數(shù)據(jù)總線）連接到處理器核。通常，做一次乘法會(huì)發(fā)生4次存儲(chǔ)器訪問(wèn)，用掉至少四個(gè)指令周期。
大多數(shù)DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲(chǔ)器空間劃分成兩個(gè)，分別存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行訪問(wèn)。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍，更重要的是同時(shí)為處理器核提供數(shù)據(jù)與指令。在這種布局下，DSP得以實(shí)現(xiàn)單周期的MAC指令。
還有一個(gè)問(wèn)題，即現(xiàn)在典型的高性能GPP實(shí)際上已包含兩個(gè)片內(nèi)高速緩存，一個(gè)是數(shù)據(jù)，一個(gè)是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運(yùn)行時(shí)的訪問(wèn)速度。從物理上說(shuō)，這種片內(nèi)的雙存儲(chǔ)器和總線的結(jié)構(gòu)幾乎與哈佛結(jié)構(gòu)的一樣了。然而從邏輯上說(shuō)，兩者還是有重要的區(qū)別。
GPP使用控制邏輯來(lái)決定哪些數(shù)據(jù)和指令字存儲(chǔ)在片內(nèi)的高速緩存里，其程序員并不加以指定（也可能根本不知道）。與此相反，DSP使用多個(gè)片內(nèi)存儲(chǔ)器和多組總線來(lái)保證每個(gè)指令周期內(nèi)存儲(chǔ)器的多次訪問(wèn)。在使用DSP時(shí)，程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲(chǔ)在片內(nèi)存儲(chǔ)器中。程序員在寫程序時(shí)，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線。
此外，DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)高速緩存。這是因?yàn)镈SP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流。也就是說(shuō)，DSP處理器對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)樣本做計(jì)算后，就丟棄了，幾乎不再重復(fù)使用。
3 零開(kāi)銷循環(huán)
如果了解到DSP算法的一個(gè)共同的特點(diǎn)，即大多數(shù)的處理時(shí)間是花在執(zhí)行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件，用于零開(kāi)銷循環(huán)。所謂零開(kāi)銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時(shí)，不用花時(shí)間去檢查循環(huán)計(jì)數(shù)器的值、條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計(jì)數(shù)器減1。
與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。某些高性能的GPP使用轉(zhuǎn)移預(yù)報(bào)硬件，幾乎達(dá)到與硬件支持的零開(kāi)銷循環(huán)同樣的效果。
4 定點(diǎn)計(jì)算
大多數(shù)DSP使用定點(diǎn)計(jì)算，而不是使用浮點(diǎn)。雖然DSP的應(yīng)用必須十分注意數(shù)字的精確，用浮點(diǎn)來(lái)做應(yīng)該容易的多，但是對(duì)DSP來(lái)說(shuō)，廉價(jià)也是非常重要的。定點(diǎn)機(jī)器比起相應(yīng)的浮點(diǎn)機(jī)器來(lái)要便宜（而且更快）。為了不使用浮點(diǎn)機(jī)器而又保證數(shù)字的準(zhǔn)確，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計(jì)算、舍入和移位。
5 專門的尋址方式
DSP處理器往往都支持專門的尋址模式，它們對(duì)通常的信號(hào)處理操作和算法是很有用的。例如，模塊（循環(huán)）尋址（對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器延時(shí)線很有用）、位倒序?qū)ぶ罚▽?duì)FFT很有用）。這些非常專門的尋址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
6 執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)
大多數(shù)的DSP應(yīng)用（如蜂窩電話和調(diào)制解調(diào)器）都是嚴(yán)格的實(shí)時(shí)應(yīng)用，所有的處理必須在指定的時(shí)間內(nèi)完成。這就要求程序員準(zhǔn)確地確定每個(gè)樣本需要多少處理時(shí)間，或者，至少要知道，在最壞的情況下，需要多少時(shí)間。
如果打算用低成本的GPP去完成實(shí)時(shí)信號(hào)處理的任務(wù)，執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)大概不會(huì)成為什么問(wèn)題，應(yīng)為低成本GPP具有相對(duì)直接的結(jié)構(gòu)，比較容易預(yù)測(cè)執(zhí)行時(shí)間。然而，大多數(shù)實(shí)時(shí)DSP應(yīng)用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。
這時(shí)候，DSP對(duì)高性能GPP的優(yōu)勢(shì)在于，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會(huì)放進(jìn)去也是由程序員（而不是處理器）來(lái)決定的，因此很容易判斷指令是從高速緩存還是從存儲(chǔ)器中讀取。DSP一般不使用動(dòng)態(tài)特性，如轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)和推理執(zhí)行等。因此，由一段給定的代碼來(lái)預(yù)測(cè)所要求的執(zhí)行時(shí)間是完全直截了當(dāng)?shù)摹亩钩绦騿T得以確定芯片的性能限制。
7 定點(diǎn)DSP指令集
定點(diǎn)DSP指令集是按兩個(gè)目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)的：
使處理器能夠在每個(gè)指令周期內(nèi)完成多個(gè)操作，從而提高每個(gè)指令周期的計(jì)算效率。 將存貯DSP程序的存儲(chǔ)器空間減到最小（由于存儲(chǔ)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成本影響甚大，該問(wèn)題在對(duì)成本敏感的DSP應(yīng)用中尤為重要）。
為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，DSP處理器的指令集通常都允許程序員在一個(gè)指令內(nèi)說(shuō)明若干個(gè)并行的操作。例如，在一條指令包含了MAC操作，即同時(shí)的一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)移動(dòng)。在典型的例子里，一條指令就包含了計(jì)算FIR濾波器的一節(jié)所需要的所有操作。這種高效率付出的代價(jià)是，其指令集既不直觀，也不容易使用（與GPP的指令集相比）。
GPP的程序通常并不在意處理器的指令集是否容易使用，因?yàn)樗麄円话闶褂孟驝或C++等高級(jí)語(yǔ)言。而對(duì)于DSP的程序員來(lái)說(shuō)，不幸的是主要的DSP應(yīng)用程序都是用匯編語(yǔ)言寫的（至少部分是匯編語(yǔ)言優(yōu)化的）。這里有兩個(gè)理由：首先，大多數(shù)廣泛使用的高級(jí)語(yǔ)言，例如C，并不適合于描述典型的DSP算法。其次，DSP結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如多存儲(chǔ)器空間、多總線、不規(guī)則的指令集、高度專門化的硬件等，使得難于為其編寫高效率的編譯器。
即便用編譯器將C源代碼編譯成為DSP的匯編代碼，優(yōu)化的任務(wù)仍然很重。典型的DSP應(yīng)用都具有大量計(jì)算的要求，并有嚴(yán)格的開(kāi)銷限制，使得程序的優(yōu)化必不可少（至少是對(duì)程序的最關(guān)鍵部分）。因此，考慮選用DSP的一個(gè)關(guān)鍵因素是，是否存在足夠的能夠較好地適應(yīng)DSP處理器指令集的程序員。
8 開(kāi)發(fā)工具的要求
因?yàn)镈SP應(yīng)用要求高度優(yōu)化的代碼，大多數(shù)DSP廠商都提供一些開(kāi)發(fā)工具，以幫助程序員完成其優(yōu)化工作。例如，大多數(shù)廠商都提供處理器的仿真工具，以準(zhǔn)確地仿真每個(gè)指令周期內(nèi)處理器的活動(dòng)。無(wú)論對(duì)于確保實(shí)時(shí)操作還是代碼的優(yōu)化，這些都是很有用的工具。
GPP廠商通常并不提供這樣的工具，主要是因?yàn)镚PP程序員通常并不需要詳細(xì)到這一層的信息。GPP缺乏精確到指令周期的仿真工具，是DSP應(yīng)用開(kāi)發(fā)者所面臨的的大問(wèn)題：由于幾乎不可能預(yù)測(cè)高性能GPP對(duì)于給定任務(wù)所需要的周期數(shù)，從而無(wú)法說(shuō)明如何去改善代碼的性能。
