dsp技術的發(fā)展與展望

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 內蒙古大學鄂爾多斯學院 DSP技術的現(xiàn)狀研究姓 名： 高慧 學 號： 專 業(yè)： 自動化 指導老師： 趙曉宇 院 系： 鄂爾多斯學院 2011年6月12日摘 要： DSP即為數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing)，是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后進行高速實時處理的專用處理器。它具有計算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)點，是實現(xiàn)數(shù)字信號處理的強大工具。它的工作原理是將現(xiàn)實世界的模擬信號轉換成數(shù)字信號，再用數(shù)學方法處理此信號，得到相應的結果。數(shù)字信號處

2、理是一門涉及許多領域的新興學科，在現(xiàn)代科技發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用。近年來，數(shù)字信號處理理論在不斷取得進步的同時，隨著半導體技術的突飛猛進，專用的數(shù)字信號處理器芯片也獲得了飛速發(fā)展。隨著半導體技術的進步，處理器芯片的處理能力越來越強大，使得信號處理的研究可以主要放在算法和軟件方面，不再像過去那樣需要過多考慮硬件。由于它的出色性能，DSP目前被廣泛應用于數(shù)字通信、信號處理、工業(yè)控制、圖像處理等領域。隨著成本的降低，控制界已對此產生濃厚興趣，已在不少場合得到成功應用。DSP數(shù)字信號處理器DSP芯片采用了數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結構及改進的哈佛結構，諾依曼結構具有更高的指令執(zhí)行速度。其處理速度

3、比最快的CPU快1050倍。在當今數(shù)字化時代背景下，DSP 已成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件，被譽為信息社會革命的“旗手”。關鍵詞：DSP IT公司 發(fā)展 芯片 現(xiàn)狀 應用 展望DSP的發(fā)展歷程在數(shù)字信號處理技術發(fā)展的初期（上世紀5060年代），人們只能在微處理器上完成數(shù)字信號的處理。一般認為，世界上第一個單片DSP芯片是1978年AMI公司發(fā)布的S2811。1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一個具有硬件乘法器的商用DSP芯片，從而被認為是第一塊單片DSP器件。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，最成功的DSP芯片當數(shù)美國德州公司（TexasInstruments，簡稱

4、TI）的一系列產品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產品TMS32011、TMS320C10/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TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改進型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列

5、，即：TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。如今，TI公司的一系列DSP產品已經成為當今世界上最有影響的DSP芯片。TI公司也成為世界上最大的DSP芯片供給商，其DSP市場份額占全世界份額近50。第一個采用CMOS工藝生產浮點DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮點DSP芯片。1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期為120ns，且具有雙內部總線，從而使處理吞吐量發(fā)生了一個大的飛躍。而第一

6、個高性能浮點DSP芯片應是AT&T公司于1984年推出的DSP32。與其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相對較晚。1986年，該公司推出了定點處理器MC56001。1990年，推出了與IEEE浮點格式兼容的浮點DSP芯片MC96002。美國模擬器件公司（Analog Devices，簡稱AD）在DSP芯片市場也有一定的份額，推出了一系列具有自己特色的DSP芯片，如其定點的DSP芯片ADSP2101/2103/2105，ADSP2111/2115，ADSP2161/62/64，浮點DSP有ADSP21000/020、ADSP21060/21062等。20世紀80年代以來， D

7、SP芯片得到了突飛猛進的發(fā)展，DSP芯片的應用越來越廣泛。從運算速度來看，MAC（一次乘法和一次加法）時間已經從20世紀80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等），處理能力提高了幾十倍。DSP芯片內部要害的乘法器部件從1980年的占模片區(qū)（diearea）的40%左右下降到5%以下，片內RAM數(shù)量增加一個數(shù)量級以上。從制造工藝來看，1980年采用4m的N溝道MOS（NMOS）工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米（Micron）CMOS工藝。DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的最多64個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增加，

8、意味著結構靈活性的增加，如外部存儲器的擴展和處理器間的通信等。此外，DSP芯片的發(fā)展使DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。DSP系統(tǒng)和芯片的基本結構2.1 DSP系統(tǒng)的基本結構系統(tǒng)所需要處理的信號一般為自然條件下的模擬信號，這就需要首先將輸入的信號轉換為數(shù)字的電信號。這就需要A/D（模數(shù)轉換）模塊，A/D模塊將模擬信號轉換為數(shù)字的比特流，輸入給DSP系統(tǒng)，DSP系統(tǒng)對數(shù)字信號進行某種處理之后，一般還需要輸出為模擬信號來供人們使用，所以又用到了D/A（數(shù)模轉換）模塊，將處理后的數(shù)字信號轉換為模擬值。 數(shù)字信號處理結構穩(wěn)定性好，可重復性好，可以大規(guī)模集成，使得信號處理功能更復雜，

9、手段更靈活，精度更高。2.2 DSP芯片的結構特點DSP處理芯片，為了適應信號處理運算的需要，結構與通用的其他計算機或控制處理器相比，有較大的不同，主要的幾點為：(1)具有專用的算術單元，如硬件乘法器，DSP內部設有硬件乘法器來完成乘法操作，以提高乘法速度。(2)具有特殊的總線結構哈佛結構。這種結構使DSP具有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，可以同時取地址和操作數(shù)。(3)流水處理。流水技術使多個不同的操作可以同時執(zhí)行，處理器內將每條指令的執(zhí)行分為取址、解碼、執(zhí)行等階段，不同的階段并行執(zhí)行，提高了程序執(zhí)行的效率和速度。(4)高速的片內存儲器。DSP芯片一般內部集成有程序和數(shù)據(jù)存儲器，訪問速度快，緩解總

10、線接口的壓力，提高程序執(zhí)行的速度。一些其他特殊功能的DSP芯片還具有一些專用的設計結構，這里不一一列出?？傊珼SP功能上的特點很大程度上是針對數(shù)字信號處理算法的特點，針對性地組成專用的結構，以滿足處理的需要。DSP芯片的產品和市場3.1 應用領域和市場在近20多年的時間里，DSP芯片的應用已經從軍事、航空航天領域擴大到信號處理、通信、雷達、消費等許多領域。目前，DSP芯片的價格也越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應用潛力。DSP芯片的應用主要有： （1） 信號處理-如，數(shù)字濾波、自適應濾波、快速傅里葉變換、 相關運算、頻譜分析、卷積等。 （2）通信-如，調制解調器、自適應均衡、數(shù)據(jù)加密

11、、數(shù)據(jù)壓縮、回坡抵消、多路復用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼、波形產生等。 （3） 語音-如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人辨認、說話人確認、語音郵件、語音儲存等。 （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、動畫、機器人視覺等。 （5） 軍事-如保密通信、雷達處理、聲納處理、導航等。 （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） 自動控制-如引擎控制、深空、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制。 （8） 醫(yī)療-如助聽、超聲設備、診斷工具、病人監(jiān)護等。 （9）家用電器-如高保真音響、音樂合成、音調控制、玩具與游戲、數(shù)字電話/電視等。DSP主要應

12、用市場為3C（communication、computer、consumer通信、計算機、消費類）領域，所占市場比例超過90%，并且總體市場規(guī)模在不斷擴大。在數(shù)字化、個人化和網絡化的推動下，預計未來的年均增長率高達40%。在全球的DSP市場中，TI公司獨占鰲頭，占世界市場的45%份額，其次是朗訊(28%)、ADI(12%)、摩托羅拉(12%)、其他公司(3%) 3 。3.2 世界主要的DSP芯片制造公司及其產品（1）TI公司。TI（Texas Instruments）公司在業(yè)界一直處于領先的地位。近年，TI在原來的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C

13、5X、TMS320C8X的基礎上又推出了3種高性價比的DSP系列：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。這3種芯片，在我國的信號處理硬件領域應用也是非常廣泛，下面作些簡要介紹：TMS320C2000系列主要用于工業(yè)控制領域，提供了全系列的高性能控制芯片，代碼運行效率高。除了較強的控制功能之外，還提供了方便的接口與高性能外圍器件相連。主要型號有TMS320C24X和28X系列。TMS320C5000系列為高性能的低功耗定點DSP芯片。處理速度最高可以達到900 MIPS，功耗很低，可以達到0.33 mA/MHz。非常適合移動和手持系統(tǒng)的應用。主要有TMS32

14、0C54X和55X系列。TMS320C6000系列為新一代高性價比DSP芯片，是高端DSP處理器的代表。C6000系列的DSP定點運算可以達到1200到8 000 MIPS（百萬條指令/秒），浮點運算可以達到600到 1 800 MFLOPS（百萬次浮點操作/秒）的運算速度。主TI最新推出的高性能定點DSP處理器，時鐘速度提高到1 GHz，單片處理能力可達到8 000 MIPS。（2）Analog Device公司。ADI公司的DSP目前主要分為3個系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。SHARC系列一直在雷達、聲納信號處理等領域享有很高的聲譽，很多商用、軍用的信號處理機中

15、都可以看到SHARC的身影。單片處理能力有限的SHARC之所以能夠在通信信號處理領域有這么高的聲譽，完全是由于ADI優(yōu)秀的片間互連技術（LINK口），利用這個LINK口可以很方便地將幾片、幾十片SHARC連接起來組成DSP陣列，從而在單片處理能力達不到要求的場所利用DSP陣列就很容易達到了。Blackfin是近幾年推出的針對性能要求比較高，同時功耗要求又比較低的場所。它所具備的優(yōu)點很適合在便攜式通信產品中應用。TigerSHARC是從SHARC改進的高端DSP，它的出現(xiàn)是ADI公司的DSP在高端領域應用開創(chuàng)了歷史性的局面。新推出的第二代TigerSHARC ADSP-TS201S主頻高達600

16、 MHz，處理能力高達14.4 GOPS，還有超大容量的RAM，使它一出世就在高端領域脫穎而出。尤其適合軟件無線電的應用。DSP已經發(fā)展成為了一種成熟的技術，也是一種成熟的產品，它在數(shù)字信息時代占據(jù)越來越重要的位置，所以其市場的擴展還存在著巨大的空間。DSP的性能、價格和功耗是決定其市場的三個重要因素。挑戰(zhàn)更高的性能，盡可能降低價格和功耗，一直是DSP追求的目標。DSP處理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀4.1 國際發(fā)展現(xiàn)狀簡略國際DSP處理發(fā)展的現(xiàn)狀，國外的商業(yè)化信號處理設備一直保持著快速的發(fā)展勢頭。歐美等科技大國保持著國際領先的地位。例如美國DSP research公司，Pentek公司，Motorola公

17、司，加拿大Dy4公司等，他們很多已經發(fā)展到相當大的規(guī)模，競爭也愈發(fā)激烈。我們從國際知名DSP技術公司發(fā)布的產品中就可以了解一些當今世界先進的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的情況。以Pentek公司一款處理板4293為例，使用8片TI公司 300 MHz的TMS320C6203芯片，具有19 200 MIPS的處理能力，同時集成了8片32 MB的SDRAM，數(shù)據(jù)吞吐600 MB/s。該公司另一款處理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4 PowerPC處理器，工作頻率400/500 MHz，兩級緩存256K64 bit，最高具有16MB的SDRAM。ADI公司的TigerSHARC芯片也由

18、于其出色的協(xié)同工作能力，可以組成強大的處理器陣列，在諸多領域（特別是軍事領域）獲得了廣泛的應用。以英國Transtech DSP公司的TP-P36N為例，它由48片TS101b（TigerSharc）芯片構成，時鐘 250 MHz，具有612 GFLOPS的處理能力。DSP應用產品獲得成功的一個標志就是進入產業(yè)化。在以往的20年中，這一進程在不斷重復進行，而且周期在不斷縮小。在數(shù)字信息時代，更多的新技術和新產品需要快速地推上市場，因此，DSP的產業(yè)化進程還是需要加速進行。隨著競爭的加劇，DSP生產商隨時調整發(fā)展規(guī)劃，以全面的市場規(guī)劃和完善的解決方案，加上新的開發(fā)歷年，不斷深化產業(yè)化進程。4.2

19、 我國發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國信息產業(yè)的發(fā)展，近年來我國的數(shù)字信號處理學科發(fā)展較快。DSP處理器已經在我國的數(shù)字通信、信號處理、雷達、電子對抗、圖像處理等方面得到了廣泛的應用，為科學技術和國民經濟建設創(chuàng)造了很大價值。全國有很多高校、科研機構的信號處理實驗室都在大力研究性能更高的數(shù)字信號處理設備，取得了很多研究成果。我國的科研人員通過對先進的DSP芯片的研究，已經研制出一些高性能處理設備的解決方案，并且在板級PCB設計方面，也取得了寶貴的設計經驗。以我國某電子技術研究所研制的DSP雷達數(shù)字信號處理通用模塊為例，它使用了6片ADSP21060和大規(guī)?？删幊唐骷嫵赏ㄓ锰幚砟K。通過信號處理算法并行設計、系

20、統(tǒng)多數(shù)據(jù)流設計、處理任務分配調度程序設計，實現(xiàn)高速實時雷達數(shù)字信號處理 4 。以FFT算法為例，將任務分為3個流水處理過程：FFT、復數(shù)乘法、IFFT，實現(xiàn)多片DSP組成并行處理。在33 MHz時鐘下，1 024點處理通過時間為0.7 ms，可以實現(xiàn)單通道數(shù)據(jù)率為1 MHz，雙通道并行工作為2 MHz。國內的某大學所研制的基于TMS320C6201的高速實時數(shù)字信號處理平臺，實現(xiàn)基-2的復數(shù)FFT，允許輸入數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍16-bit，可以實現(xiàn)59 s內完成512點的FFT，130 s內可以完成1 024點的FFT。但是，應該看到，我國在信號處理理論、高速高性能處理器設計和制造方面與國際先進水平

21、還有較大差距。而且，主要的核心處理器件基本完全依賴進口，這也是我國半導體研究領域需要大力加強的工作之一。復雜的大型處理機PCB板級設計和制造也存在一定困難，也是需要我國科研人員發(fā)揚勇于拼搏的精神，繼續(xù)的刻苦努力。DSP技術的展望可以預見未來DSP技術將向以下幾方面發(fā)展：1.努力向系統(tǒng)級集成DSP邁進，將幾個DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個芯片上，成為DSP系統(tǒng)級集成電路。2.DSP的內核結構進一步改善。多通道結構和單指令多重數(shù)據(jù)(SIMD)、超長指令字結構(VLIM)、超標量結構、超流水結構、多處理、多線程及可并行擴展的超級哈佛結構(SHARC)在新的高性能處理器中將占據(jù)主導地位。3.可編程DSP是主導產品生產廠商可在同一個DSP平臺上開發(fā)出各種不同型號的系列產品，以滿足不同用戶的需求。同時，可編程DSP也為廣大用戶提供了易于升級的良好途徑。人們已經發(fā)現(xiàn)，許多微控制器能做的事情，使用可編程DSP將做得更好更便宜。4.追求更高的運算速度和進一步降低功耗和幾何尺寸5.定點DSP是主流。雖然浮點DSP的運算精度更高，動態(tài)范圍更大，但定點DSP器件的成本較低，對存儲器的要求也較低，而且耗電較省。因此，定點運算的可編程DSP器件仍是市場上的主流產品。據(jù)統(tǒng)計，目前