什么是dsp技術(shù)

什么是dsp技術(shù)

數(shù)字信號(hào)處理（DigitalSignalProcessing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。在過去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。

數(shù)字信號(hào)處理是圍繞著數(shù)字信號(hào)處理的理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等幾個(gè)方面發(fā)展起來的。數(shù)字信號(hào)處理在理論上的發(fā)展推動(dòng)了數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的發(fā)展。反過來，數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用又促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理理論的提高。而數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)則是理論和應(yīng)用之間的橋梁。

數(shù)字信號(hào)處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號(hào)處理的基本工具，與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近來新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都與數(shù)字信號(hào)處理密不可分?？梢哉f，數(shù)字信號(hào)處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時(shí)又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

世界上第一個(gè)單片DSP芯片應(yīng)當(dāng)是1978年AMI公司發(fā)布的S2811，1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是DSP芯片的一個(gè)主要里程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一個(gè)具有乘法器的商用DSP芯片。

在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司（TexasInstruments，簡稱TI）的一系列產(chǎn)品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)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(jìn)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，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(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)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芯片供應(yīng)商，其DSP市場(chǎng)份額占全世界份額近50％。

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)語言來說，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，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)指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來實(shí)現(xiàn)單周期乘法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來處理多個(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，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。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)的訪問速度。從物理上說，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，兩者還是有重要的區(qū)別。

GPP使用控制邏輯來決定哪些數(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)器和多組總線來保證每個(gè)指令周期內(nèi)存儲(chǔ)器的多次訪問。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，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，用于零開銷循環(huán)。所謂零開銷循環(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)來做應(yīng)該容易的多，但是對(duì)DSP來說，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預(yù)測(cè)所要求的執(zhí)行時(shí)間是完全直截了當(dāng)?shù)?。從而使程序員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?。ㄓ捎诖鎯?chǔ)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成本影響甚大，該問題在對(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)語言。而對(duì)于DSP的程序員來說，不幸的是主要的DSP應(yīng)用程序都是用匯編語言寫的（至少部分是匯編語言優(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)用開發(fā)者所面臨的的大問題：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)，從而無法說明如何去改善代碼的性能。