DSP芯片结构和特点以及应用详解

　 DSP芯片是什么

        DSP又称数字信号处理器（嵌入式微处理器），它是一种具有特殊结构的适用于进行实时数字信号处理的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法（常用嵌入式处理器）

          

　　DSP芯片的现状和发展（嵌入式处理器比较）

　　第一个DSP芯片诞生于20世纪70年代末。以AMI公司的S2811和Intel公 司的2920为代表的第一代DSP芯片，其片内都还没有单周期硬件乘法器

  　DSP芯片的特点

　　（1）制造工艺

　　早期DSP采用4UM的N沟道MOS（NMOS）工艺

　　现在的DSP则普遍采用亚微米CMOS工艺，达到0.25um或0.18um

　　DSP芯片的引脚数量从40个左右增加到200个以上

　　需要设计的外围电路越来越少，每MIPS的成本、体积和功耗都有很大 的下降

　　（2）存储器容量

　　20世纪80年代初的DSP，片内程序存储器和数据存储器只有几百个单元， 有的片内没有ROM

　　目前，DSP片内的数据和程序存储器可达几十K字

　　此外，对片外程序存储器和数据存储器的寻址能力也大大增强，可分别 达到16 M×46位和4G×40位以上

　　（3） 内部结构

　　目前，DSP芯片内部广泛采用多总线、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、数据处理能力以及与外部设 备的通信功能大大增强

　　CPU中包含8个并行的处理单元，一个时钟周期可以执行8条指令，每秒最高进行16亿次的定点运算

　　（3） 运行速度

　　将近20年的发展，使DSP的指令周期从400ns缩短到10ns以下，相应的 运行速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上

　　具有代表性的是，TI公司的TMS320C6201 DSP，执行一次1024点复数 FFT运算的时间只有66us

　　（4）运算精度和动态范围

　　由于输入信号动态范围以及迭代算法可能产生误差积累问题，因此对单 片DSP的精度提出了较高的要求

　　DSP的字长从8位增加到16位、24位、32位，累加器的长度也增加到40 位

　　超长字指令字（VLIW）结构和高性能的浮点DSP的出现，扩大了数据处理的动态范围

　　（5）开发工具

　　20世纪90年代推出的DSP，都有较为完善的软件和硬件开发工具

　　Simulator软件仿真器 Emulator在线仿真器

　　C编译器

　　发展高速、高性能DSP器件

　　（6）高度集成化

　　集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟数字混合式 DSP芯片将有较大的发展和应用

　　低功耗低电压 进一步降低功耗，开发低电压DSP内核（目前有的DSP内核电压已降到 3.3V和2.5V），使其更适用于个人通信机、便携式计算机和便携式仪器仪表。

　　开发专用DSP芯片

　　为了满足系统级芯片的设计，开发基于DSP内核的ASIC会有较大的发展

　　提供更加完善的开发环境 特别是开发效率更高的、优化的C编译器和代数式指令系统，以克服汇 编语言程序可读性和可移植性较差的不足，缩短开发周期

　　扩大应用领域 DSP芯片将向航空、航天、雷达、声纳、图像、影视、医疗设备、家用 电器等众多领域渗透，进一步扩大应用范围

　　DSP芯片的特点

　　（1） 哈佛（Havard）结构

　　早期的微处理器内部大多采用冯·诺依曼（Von-Neumann）结构。其片内程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的。当高速运算时。不但不能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。

　　DSP内部采用的是程序空司和数据空间分开的哈佛（Havard）结构，允许同时取指令（来自程序存储器）和取操作数（来自数据存储器）。而且，还允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据，即改进的哈佛结构。

　　（2）多总线结构

　　许多DSP芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内 可以多次访问程序空间和数据空间

　　TMS320C54x内部有P、C、D、E等4条总线（每条总线又包括地址总线 和数据总线），可以在一个机器周期内从程序存储器取1条指今、从数据 存储器读2个操作数和向数据存储器写1个操作数，大大提高了DSP的运行速度。

　　DSP来说，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） 流水线结构

　　DSP执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作和执行等几个阶段

　　在DSP中，采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是重叠的， 这样，在执行本条指今的同时，还依次完成了后面3条指今的取操作数、 译码和取指，将指今周期降低到最小值。

　　利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用 得最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。

　　（4）多处理单元

　　DSP内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元（ALU）、辅助寄存器运算单元（ARAU）、累加器（ACC）以及硬件乘法器（MUL）等。 它们可以在一个指令周期内同时进行运算 例如，当执行一次乘法和累加的同时，辅助寄存器单元已经完成了下一 个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好了充分的准备。因此， DSP在进行连续的乘加运算时，每一次乘加运算都是单周期的

　　DSP的这种多处理单元结构，特别适用于FIR和IIR滤波器

　　许多DSP的多处理单元结构还可以将一些特殊的算法。例如FFT的位码 倒置寻址和取模运算等，在芯片内部用硬件实现以提高运行速度。

　　（5）特殊的DSP指令

　　为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在DSP的指令系统中，设计 了一些特殊的DSP指令。

　　中的MAD（乘法、累加和数据移动）指令，具有执行LT、 DMOV、MPY和APAC等4条指令的功能。

　　TMS320C54x中的FIRS和LM5指令，则专门用于系数对称的F1R滤波器 和LMS算法。

　　（6）指令周期短

　　早期的DSP的指令周期约400ns，采用4us NMOs制造上艺。其运算速 度为5MIPS（每秒执行5百万条指令）

　　随着集成电路工艺的发展，DSP广泛采用亚微米CMOS制造工艺，其运行速度越来越快

　　TMS320C54x运行速度可达100MIPS

　　TMS320C6203的时钟为300MHZ，运行速度达到2400MIPS

　　（7）运算精度高

　　早期DSP的字长为8位，后来逐步提高到16位、24位、32位

　　为了防止运算过程中溢出，有的累加器达到40位

　　一批浮点DSP，例如TMS320C3x、TMS320C4x、ADSP21020等，则 提供了更大的动态范围

　　（8）硬件配置强

　　新一代DSP的接口功能愈来愈强

　　片内具有串行口、主机接口（HPI）、DMA控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器

　　实现在片仿真符合IEEE 1149.1标准的测试访问口，更易于完成系统设 计

　　许多DSP芯片都可以工作在省电方式，使系统功耗降低

　　总结

　　DSP芯片在信号处理、图像处理、仪器、声音语言、控制、军事、通讯、医疗、家用电器等领域有着广泛的应用。本文从制造工艺、存储器容量、运行速度、运算精度和动态范围、开发工具等方面详细介绍了DSP芯片的现状和发展，并对DSP芯片的特点也作了简单介绍。