1.2 可编程DSP芯片

数字信号处理器（DSP）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。在20世纪80年代以前，由于受实现方法的限制，数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到20世纪80年代初，世界上第一块单片可编程DSP芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地讲，DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到了十分重要的作用。

1.2.1 DSP芯片的发展概况

DSP芯片诞生于20世纪70年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，并经历了以下3个阶段。

第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。在DSP芯片出现之前，数字信号处理只能依靠通用微处理器（MPU）来完成。由于 MPU 处理速度较低，难以满足高速实时处理的要求。1965年库利（Cooley）和图基（Tukey）发表了著名的快速傅里叶变换FFT（Fast Fourier Transform），极大地降低了傅里叶变换的计算量，从而为数字信号的实时处理奠定了算法的基础。与此同时，伴随着集成电路技术的发展，各大集成电路厂商都在为生产通用DSP芯片做了大量的工作。1978年AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811。1979年美国Intel公司发布了商用可编程DSP器件Intel2920，由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指令周期 200～250ns，应用仅局限于军事或航空航天领域。这个时期的代表性器件主要有：Intel2920（Intel）、μPD7720（NEC）、TMS32010（TI）、DSP16（AT&T）、S2811（AMI）、ADSp-21（AD）等。值得一提的是TI公司的第一代DSP芯片——TMS32010，它采用了改进的哈佛结构，允许数据在程序存储空间与数据存储空间之间传输，大大提高了运行速度和编程灵活性，在语音合成和编码解码器中得到了广泛的应用。

第二阶段，DSP的成熟阶段（1990 年前后）。这个时期，许多国际上著名集成电路厂家都相继推出自己的DSP产品。如：TI 公司的TMS320C20、30、40、50 系列，Motorola 公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。这个时期的DSP器件在硬件结构上更适合于数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、硬件 FFT 变换和单指令滤波处理，其单指令周期为80～100ns。如TI公司的TMS320C20，它是该公司的第二代DSP器件，采用了CMOS制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。20世纪80年代后期，以TI公司的TMS320C30为代表的第三代DSP芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。

第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。这一时期各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善，而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上，大大地提高了数字信号处理能力。这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows环境下直接用C语言编程，使用方便灵活，使DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到了人们日常消费领域。

目前，DSP芯片的发展非常迅速。硬件结构方面主要是向多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。

1.2.2 DSP芯片的特点

数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性。因此，DSP除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外，针对实时数字信号处理的特点，在处理器的结构、指令系统、指令流程上做了很大的改进，其主要特点如下。

1.采用哈佛结构

DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构，比传统处理器的冯·诺依曼结构有更快的指令执行速度。

（1）冯·诺依曼（Von Neumann）结构

该结构采用单存储空间，即程序指令和数据公用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的。当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。图1.2.1给出了冯·诺依曼结构。

（2）哈佛（Harvard）结构

该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。微处理器的哈佛结构如图1.2.2所示。

（3）改进型的哈佛结构

改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：

① 允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据，使这些数据可以由算术运算指令直接调用，增强了芯片的灵活性；

② 提供了存储指令的高速缓冲器（Cache）和相应的指令，当重复执行这些指令时，只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出，从而减少了指令执行所需要的时间。如：TMS320C6200系列的DSP，整个片内程序存储器都可以配制成高速缓冲结构。

2.采用多总线结构

DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大提高了DSP的运行速度。如：TMS320C54x系列内部有P、C、D、E等4组总线，每组总线中都有地址总线和数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作：

① 从程序存储器中取一条指令；

② 从数据存储器中读两个操作数；

③ 向数据存储器写一个操作数。

对于DSP芯片，内部总线是个十分重要的资源，总线越多，可以完成的功能就越复杂。

3.采用流水线技术

每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其过程如图1.2.3所示。

利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法-累加运算。如：。

4. 配有专用的硬件乘法-累加器

为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法-累加操作。如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号的处理。

5.具有特殊的DSP指令

为了满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。

为了实现 FFT、卷积等运算，当前的DSP大多在指令系统中设置了“循环寻址”（Circular addressing）及“位码倒置”（bit-reversed）指令和其他特殊指令，使得在进行这些运算时，其寻址、排序及计算速度大大地提高。

6.快速的指令周期

由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法-累加器、特殊的指令及集成电路的优化设计，使指令周期可在20ns以下。如：TMS320C54x的运算速度为100MIPS，即100百万条/秒；TMS320C6203的时钟为300MHz，运算速度为2400MIPS。

7.硬件配置强

新一代的DSP芯片具有较强的接口功能，除了具有串行口、定时器、主机接口（HPI）、DMA控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器、PLL、片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理系统。

高速数据传输能力是DSP进行高速实时处理的关键之一。新型的DSP大多设置了单独的DMA总线及其控制器，在不影响或基本不影响DSP处理速度的情况下，进行并行的数据传送，传送速率可以达到数百兆字每秒（16位），但受片外存储器速度的限制。

8.支持多处理器结构

尽管当前的DSP芯片已达到较高的水平，但在一些实时性要求很高的场合，单片DSP的处理能力还不能满足要求。如在图像压缩、雷达定位等应用中，若采用单处理器将无法胜任。因此，支持多处理器系统就成为提高DSP应用性能的重要途径之一。为了满足多处理器系统的设计，许多DSP芯片都采用支持多处理器的结构。如：TMS320C40提供了6个用于处理器间高速通信的32位专用通信接口，使处理器之间可直接对通，应用灵活、使用方便。

TMS320C80是一个多处理器芯片，其内部有5个微处理器，通过共享数据存储空间来交换信息。

由于支持多处理器结构，可以实现完成巨大运算量的多处理器系统，即将算法划分给多个处理器，借助高速通信接口来实现计算任务并行处理的多处理器阵列。

9.省电管理和低功耗

DSP功耗一般为0.5～4W，若采用低功耗技术可使功耗降到0.25W，可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。

1.2.3 DSP芯片的分类

为了适应数字信号处理各种各样的实际应用，DSP厂商生产出多种类型和档次的DSP芯片。在众多的DSP芯片中，可以按照下列3种方式进行分类。

1.按基础特性分类

这种分类是依据DSP芯片的工作时钟和指令类型进行的。可分为静态DSP芯片和一致性DSP芯片。

如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常工作，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，TI公司的TMS320系列芯片、日本OKI电气公司的DSP芯片都属于这一类芯片。

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芯片被称为一致性DSP芯片，例如，TI公司的TMS320C54x。

2.按用途分类

按照DSP芯片的用途来分类，可以将DSP芯片分为通用型芯片和专用型芯片两大类。

通用型DSP芯片一般是指可以用指令编程的DSP，适合于普通的DSP应用，具有可编程性和强大的处理能力，可完成复杂的数字信号处理的算法，如TI公司的一系列DSP芯片。

专用型DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，通常只针对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字滤波、FFT、卷积和相关算法等特殊的运算。主要用于要求信号处理速度极快的特殊场合。这类芯片主要有：Motorola 公司的DSP56200、ZORAN 公司的ZR34881、Inmos公司的IMSA100等。

3.按数据格式分类

这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的，即按精度或动态范围将通用DSP划分为定点DSP和浮点DSP。

数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点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。大多数定点DSP芯片都采用16bit定点运算，只有少数DSP芯片为24bit定点运算。

数据以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片。主要产品有：TI公司的TMS320C3x/C4x/C67x，AD公司的ADSP21xxx系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motorola公司的MC96002等。

不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式有所不同，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。如TI公司的TMS320C3x芯片为自定义的浮点格式，而Motorola公司的MC96002、Fujitsu公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等为IEEE标准浮点格式。

1.2.4 DSP芯片的应用

自从20世纪70年代末DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。DSP芯片的高速发展，主要得益于集成电路技术的发展和巨大的应用市场。在近20年时间里，DSP芯片已经在许多领域得到广泛的应用。目前，随着DSP芯片价格的下降，性能价格比的提高，DSP芯片具有巨大的应用潜力。DSP芯片的应用主要有：

● 信号处理——如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、Hilbert变换、相关运算、频谱分析、卷积、模式匹配、窗函数、波形产生等；

● 通信——如调制解调器、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、移动通信、纠错编译码、可视电话、路由器等；

●语音——如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音存储、文本-语音转换等；

● 图形/图像——如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像鉴别、图像增强、图像转换、模式识别、动画、电子地图、机器人视觉等；

● 军事——如保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、导弹制导、全球定位（GPS）、电子对抗、搜索与跟踪、情报收集与处理等；

● 仪器仪表——如频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、暂态分析、石油/地质勘探、地震预测与处理等；

● 自动控制——如引擎控制、发动机控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘/光盘伺服控制、神经网络控制等；

● 医疗工程——如助听器、X-射线扫描、心电图/脑电图、超声设备、核磁共振、诊断工具、病人监护等；

● 家用电器——如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视、高清晰度电视（HDTV）、变频空调、机顶盒等；

● 计算机——如震裂处理器、图形加速器、工作站、多媒体计算机等。

1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势

1.DSP芯片的现状

1980年以来，DSP芯片已取得了突飞猛进的发展，主要表现如下：

（1）制造工艺

早期DSP采用4μm的NMOS工艺，现在的DSP芯片普遍采用0.25μm或0.18μm的CMOS工艺。芯片引脚从原来的40个增加到200个以上，需要设计的外围电路越来越少，成本、体积和功耗不断下降。

（2）存储器容量

早期的DSP芯片，其片内程序存储器和数据存储器只有几百个单元。目前，片内程序和数据存储器可达到几十千字，而片外程序存储器和数据存储器可达到 16M×48bit 和4G×40bit以上。

（3）内部结构

目前，DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。

如：TMS320C6201有8个并行处理单元（包括6个32位ALU和2个16位乘法器）、片内1M位的SRAM、32位外部总线（4G×8bit的寻址空间）、32个32位运算寄存器、2个定时器、4个外部中断、2个串行口、一个16位主机接口、4个DMA通道，其流水线分为取指、解码和执行3个阶段，共计11级。另外，它还是一种主频为200MHz的定点DSP，一个时钟周期可执行8条指令，每秒最高可进行16亿次的定点运算。

（4）运算速度

近20年的发展，使DSP的指令周期从400ns缩短到10ns以下，其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。如TMS320C6201执行一次1024点复数FFT运算的时间只有66μs。

（5）高度集成化

集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP芯片已有较大的发展和应用。

（6）运算精度和动态范围

由于输入信号动态范围和迭代算法可能带来误差积累，因此对单片DSP的精度提出了较高的要求。DSP的字长从8位已增加到32位，累加器的长度也增加到40位，从而提高了运算精度。同时，采用超长字指令字（VLIW）结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动态范围。

（7）开发工具

具有较完善的软件和硬件开发工具，如：软件仿真器Simulator、在线仿真器Emulator、C编译器等，给开发应用带来了很大方便。值得一提的是CCS（Code Composer Studio）开发工具，它是TI公司针对本公司的DSP产品开发的集成开发环境。CCS的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C++和汇编的混合编程。开放式的结构允许用户外扩用户自身的模块。它的出现大大简化了DSP的开发工作。

2.国内DSP的发展现状

目前，我国的DSP产品主要来自海外。1983年TI公司的第一代产品TMS32010最先进入中国市场，以后TI公司通过提供DSP培训课程，使该公司DSP产品的市场份额不断扩大。现在TI公司的DSP产品约占国内市场的90%，其余的市场份额由Lucent、AD、Motorola、ZSP和NEC等公司占有。

相对国外DSP应用开发的情况，我国还存在着相当大的差距。近年来，在国内一些 DSP专业用户的推动下，DSP的应用在我国日渐普及。除此之外，国内许多高校相继建立了DSP实验室，开设了相关的课程，这对DSP在我国的发展起到了关键性的作用。

进入21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期，市场呈现高增长态势，普及率大幅度提高，从而带动了DSP市场的高速发展。此外，计算机、通信和消费类电子产品的数字化融合也为DSP提供了进一步的发展机会。目前，DSP在VoIP、网络音频（Internet Audio）、DSL、Cable MODEM、3G、数码相机和电机控制等需要实时处理大量数据的应用中发挥着重要作用。

目前，中国DSP市场的主要应用集中在移动电话领域，然而随着中国数字消费类产品需求的大幅增长，以及DSP对数字信号高速运算与同步处理能力的提高，DSP的应用领域将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类领域。DSP芯片在数字消费类产品中主要用于图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的编码、合成、识别和高保真等语音信号的处理及通信信号的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。

对于DSP的发展，我国与国外相比不论在硬件方面，还是在软件方面都存在着很大的差距，还有很长的一段路要走。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、科研机构和开发公司开展DSP的应用研究，为推动DSP技术的发展，振兴我国的电子工业作出贡献。

3.DSP技术的发展趋势

未来的10年，全球DSP产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心。

互联网是继计算机时代后全球经济新的增长点，也是DSP潜在的应用领域。而手机、PDA、MP3 播放机及手提电脑等则是设备个性化的典型代表。这些设备的发展水平取决于DSP的发展。在新的形势下，DSP面临的要求是处理速度更高、性能更多更加全面，功耗更低，存储器用量更少。所以，DSP技术将会有以下一些发展趋势。

（1）DSP的内核结构将进一步改善

多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位，如AD公司的ADSP-2116x。

（2）DSP和微处理器的融合

低成本的微处理器（MPU）是一种执行智能定向控制任务的通用处理器，它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信号的处理功能很差。而DSP的功能正好与之相反。在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂窝电话就需要监测和声音处理功能。因此，把DSP和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这两种功能，将加速个人通信机（PCB）、智能电话、无线网络产品的开发，同时简化设计，减小 PCB 体积，降低功耗和整个系统的成本。例如，有多个处理器的Motorola公司的DSP5665x，有协处理器功能的Massan公司FILU-200，把MPU功能扩展成DSP和MPU功能的TI公司的TMS320C27xx，以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MPU融合在一起的产品。互联网和多媒体的应用将进一步加速这一融合过程。

（3）DSP和高档CPU的融合

大多数高档MCU，如Pentium和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。LSI Logic 公司的LSI401Z采用高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，结构规范，利于编程，不用进行指令排队，使得性能大幅度提高。Intel 公司涉足数字信号处理器领域将会加速这种融合。

（4）DSP和SOC的融合

SOC（System On Chip）是指把一个系统集成在一块芯片上，称之为片上系统。这个系统包括DSP和系统接口软件等。比如，Virata公司购买了LSI Logic公司的ZSP400处理器内核使用许可证，将其与系统软件如USB、10BASET、以太网、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，应用在XDSL上，得到了很好的经济效益。SOC将成为市场中越来越耀眼的明星。

（5）DSP和FPGA的融合

FPGA是现场可编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。据报道，Xilinx 公司的Virtex-II FPGA对快速傅里叶变换（FFT）的处理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供编程。Xilinx公司开发出一种称作Turbo卷积编译码器的高性能内核，设计者可以在FPGA中集成一个或多个Turbo内核，它支持多路大数据流，以满足第三代（3G）WCDMA无线基站和手机的需要，同时大大节省开发时间，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此，在无线通信、多媒体等领域将有广泛应用。

（6）实时操作系统RTOS与DSP的结合

最初，DSP系统的开发者除了开发需要实时实现的核心算法外，还要自己设计系统软件框架，作为目标代码的一部分一起运行。随着应用的不同，核心算法和控制框架也是多种多样的。有时核心算法可以从专业公司购买，结合自己的应用开发系统组成新的产品。

随着DSP处理能力的增强，芯片结构越来越复杂，甚至有些芯片在其片内集成了多个芯核，如何充分使用器件的资源，使其物尽其用已成为DSP开发中的重点和难点之一。另外，DSP系统越来越复杂，使得软件的规模越来越大，往往需要运行多个任务，各任务间的通信、同步等问题就变得非常突出。随着DSP性能和功能的日益增强，对DSP应用提供RTOS的支持已成为必然的结果。

（7）DSP的并行处理结构

为了提高DSP芯片的运算速度，各DSP厂商纷纷在DSP芯片中引入并行机制，主要分为片内并行和片间并行。TI 公司的TMS320C8x 是一种紧耦合、多指令、多数据流（MIMD）的单片多处理器系统。在这个系统中，采用交叉开关结构来代替传统的总线互连。这样，可以在同一时刻将不同的DSP与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率，使得多处理器并行处理数据传输的瓶颈问题得以缓解。TI公司的另一类高端产品TMS320C6200则是通过超长指令字结构（VLIW）来实现并行处理。在CPU内部，多个功能单元并发工作，共享大型的寄存器堆，由VLIW的长指令来同步各个功能单元并行执行各种操作。这两款DSP芯片均采用片内并行，而AD公司的ADSP2106x和ADSP21160则可以方便地实现多DSP片间并行处理。

（8）功耗越来越低

新一代消费性商品和宽带通信是DSP技术的最重要的应用市场，如移动电话、个人医疗产品等都采用电池供电，并需要有尽可能长的使用时间。DSP芯片是这些产品的核心器件，降低它的功耗可以延长电池的寿命，增加产品的使用时间，减轻电池的重量。

随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展，DSP芯片内核的电源电压将会越来越低，TMS320C6200 系列产品也从 TMS320C6201 的1.5V 内核电压，下降到目前TMS320C6400 系列的1.1V，甚至更低。除了内核单元外，外围装置、存储器的功耗也在不断的下降。这样，使得整个DSP的功耗随之下降。

进入 21 世纪后，人类的生活已迈入数字化时代，DSP技术的应用将日益多样化，应用的多样性使得DSP的开发用户对DSP器件提出了不同的要求，DSP器件将不再是一块独立的芯片，将会演变成构件的内核。设计师选择合适的DSP内核，再配上专用的逻辑和存储器形成专用的DSP方案，以满足应用的需要。