什么是DSP？

一、DSP，Digital Signal Processor，也就是數(shù)字信號處理器Q。這是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的微處理器。將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，用于專用處理器的高速實時處理。
      DSP的工作原理:接收外部輸入的模擬信號，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(為0或1)，再對數(shù)字信號進行運算處理，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。

DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP 指令，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器是當前越來越熱門、應(yīng)用越來越廣泛的微處理器芯片。
    二、 DSP的發(fā)展
1.世界上第一個單片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811
2.1979年，美國lintel公司發(fā)布的商用可編程期間2920是DSP芯片的一個主要里程
以上兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須的單周期芯片，
3.1980年，日本NEC公司推出的uPD7720，這是第一個具有乘法器的商用DSP芯片

4.1982年，日本Hitachi 公司推出浮點DSP芯片，是第一個采用CMOS工藝生產(chǎn)浮點DSP芯片。
 5.1983年，日本的Fuitsu公司推出的MB8764，其指令周期為120ns ，且具有雙內(nèi)部總線，從而處理的吞吐量發(fā)生了一個大的飛躍。
6.1984年，AT&T公司推出的DSP32，是第一個高性能的浮點DSP芯片在這么多的DSP芯片種類中，最成功的是美國德克薩斯儀器公司(Texas Instruments，簡稱T)的一系列產(chǎn)品。
TI是DSP領(lǐng)域的的老大。

TI公司1982年成功推出第一代DSP芯片:
第一代，TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17;TMS320C1X是定點DSP芯片，采用二級流水線;
第二代，TMS32020、TMS320C25/C26/C28;TMS320C2X系列是定點DSP芯片，采用三級流水線;
第三代，TMS32C30/C31/C32;TMS320C3X系列芯片是浮點DSP芯片，采用四級流水線;
第四代，TMS32C40/C44;TMS320C4X系列芯片是浮點DSP芯片，采用五級流水線;
第五代，TMS32C50/C51/C521C53;TMS320C5X系列芯片是定點DSP芯片，采用四級流水線;
第六代，TMS320C6X系列;TMS320C6X系列芯是一種新型定點DSP芯片，該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與以前的DSP芯片不同，內(nèi)部集成了多個功能單元，可同時執(zhí)行8條指令，運算能力達1600MIPS.以及集多個DSP于一體的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。
自1980年以來，DSP芯片獲得訊猛發(fā)展
1.從運算速度來看，MAC(一次乘法和一次加法)時間已經(jīng)從80年代初的400ns(如TMS32010)隆低到40ns(如TMS32C40)處理能力提高了10多倍。DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵的乘法器部件從1980年的占模區(qū)的40左右下降到5以下，片內(nèi)RAM增加一個數(shù)量級以上。
2.從制造工藝來看，1980年采用4μ的N溝道MOS工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米CMOS工藝。
3.從封裝工藝來看，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，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加。此外，DSP芯片的發(fā)展，是DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。
三、DSP芯片的類型

1.根據(jù)基礎(chǔ)特性
      根據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的，如果DSP芯片在某時鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上能正常工作，除計算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱之為靜態(tài)DSP芯片。如果有兩種或兩種以上的DSP芯片,它們的指令集和相應(yīng)的機器代碼機管腳結(jié)構(gòu)相互兼容,則這類DSP芯片稱之為一致性的DSP芯片。
      2.根據(jù)數(shù)據(jù)格式
      數(shù)據(jù)以定點格式工作的DSP芯片稱之為定點DSP芯片。以浮點格式工作的稱為浮點DSP芯片。不同的浮點DSP芯片所采用的浮點格式不，完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標準浮點格式。
     3.根據(jù)用途
     可分為通用型DSP芯片和專用型的DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應(yīng)用，如T公司的一系列DSP芯片，專用型DSP芯片市為特定的DSP運算而設(shè)計，更適合特殊的運算，如數(shù)字濾波，卷積和FFT等。
四、DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)
    DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)包括:
(1)哈佛結(jié)構(gòu);
(2)流水線操作;
(3)專用的硬件乘法器;
(4)特殊的DSP指令;
(5)快速的指令周期。
哈佛結(jié)構(gòu)

哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。由于程序和存儲器在兩個分開的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重善。流水線與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時間，從而增強了處理器的處理能力。處理器可以并行處理二到四條指令，每條指令處于流水線的不同階段。
專用的硬件乘法器乘法速度越快，DSP處理器的性能越高。由于具有專用的應(yīng)用乘法器，乘法可在一個指令周期內(nèi)完成。特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令?？焖俚闹噶钪芷诠鸾Y(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。
TMS320F28335 嵌入式DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖:

TMS320F28335 嵌入式DSP SEED-DEC28335主要集成了150M系統(tǒng)時鐘的DSP、64Kx16 位的片外SRAM、16 路片內(nèi)12 位AD、12路PWM、2路UART、1路CAN、一路高速USB、片外4 通道12-位D/A和串行EEPROM+RTC 實時時鐘等外設(shè)。這樣使其能夠應(yīng)用在電機、電力等工業(yè)控制領(lǐng)域。
五、如何選擇DSP芯片
一般來說，我們選擇DSP芯片時，需要考慮如下因素:
TI系列推薦:
如果用于控制，主要是選擇TMS320C2000系列;
如果用于通信，主要是選擇TMS320C5000系列
如果用于圖像處理，那就選擇6000系列。
C2000簡介
擁有增強型正交編碼解碼模塊eQEP、SCI通信接口、SPI外設(shè)接口、eCAN總線通信模塊、看門狗電路、通用數(shù)字!0口、多通道緩沖串、外部中斷接口等多種功能模塊，為功能復雜的控制系統(tǒng)設(shè)計提供了方便: 同時由干其性價比高，越來越多地被應(yīng)用干數(shù)字電機控制、工業(yè)自動化、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、醫(yī)療器械及通信設(shè)備中[2]。
具體指標:
1.運算速度。運算速度是芯片的一個最重要的性能指標，也是選擇芯片時所需要考慮的一個主要因素。運算速度可以用以下幾種性能指標來衡量:
(1)指令周期。就是執(zhí)行一條指令所需要的時間，通常以納秒(ns)為單位。
(2) MAC時間。即一次乘法加上一次加法的時間。
(3)FFT執(zhí)行時間。即運行一個N點FFT程序所需的時間。
(4)MIPS。即每秒執(zhí)行百萬條指令。
(5)MOPS。即每秒執(zhí)行百萬次操作

(6)MFLOPS。即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作。
(7)BOPS。即每秒執(zhí)行十億次操作。
2.價格。根據(jù)實際應(yīng)用，確定一個價格適中的芯片。
3.硬件資源。
4.運算速度。
5.開發(fā)工具。
6.功耗。另外還要考慮一些其它的因素，如封裝的形式等等
DSP應(yīng)用系統(tǒng)的運算量是確定選用處理能力多大的DSP芯片的基礎(chǔ)。確定一個DSP系統(tǒng)的運算量以選擇DSP芯片的方法:
1.按樣點處理
    就是 DSP算法Q對每一個輸入樣點循環(huán)一次。比如:設(shè)計一個采用LMS算法的256抽頭的自適應(yīng)FIR濾波器，假定每個抽頭的計算需要3個MAC周期，則256抽頭計算需要256*3=768個MAC周期。如果采樣頻率為8KHz，即樣點之間的間隔為125us的時間，DSP芯片的MAC周期為200us，則768個周期需要153.6us的時間，顯然無法實時處理，需要選用速度更快的芯片。
2.按幀處理
有些數(shù)字信號處理算法不是每個輸入樣點循環(huán)一次，而是每隔一定的時間間隔(通常稱為幀)循環(huán)一次。所以選擇DSP芯片應(yīng)該比較一幀內(nèi)DSP芯片的處理能力和DSP算法的運算量。假設(shè)DSP芯片的指令周期為P(ns)，一幀的時間為么(ns)，則該DSP芯片在一幀內(nèi)所提供的最大運算量為④T/ P 條指令。
六、DSP系統(tǒng)
三大特色:強大數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)字信號處理的實時性和高運行速度，最值得稱道。一般具有如下的一些主要特點:
(1)在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。
(2) 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。
(3)片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問,

具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。
(5)快速的中斷處理和硬件1/0支持,
(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。
(7)可以并行執(zhí)行多個操作。
(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。
與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。
數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部特點:
(1)接口方便、DSP系統(tǒng)與其它以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容，這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與議些系統(tǒng)接口要容易的多。
(2)編程方便。DSP系統(tǒng)種的可編程DSP芯片可使設(shè)計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進行修改和升級。
(3)穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高。
(4)精度高。16位數(shù)字系統(tǒng)可以達到的精度。
(5)可重復性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試，調(diào)試和大規(guī)模
生產(chǎn)
(6) 集成方便。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。
目前廣泛應(yīng)用的是TMS320F28335芯片系列，DSP芯片實例TMS320C542:TMS320C542屬于TI公司C5000系列。C5000系列具有以下特點:改進的哈佛結(jié)構(gòu),包含一條程序總線,三條數(shù)據(jù)總線和四條地址總線
高度并行的CPU和針對應(yīng)用優(yōu)化的硬件針對算法和高級語言優(yōu)化的指令集

先進的IC技術(shù)使其既高性能又低功耗。

C5000系列DSP微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖，如圖1所示。包括:40bit算數(shù)邏輯單元(ALU);2個40bit累加器A和B;17x17bit乘加單元、40bitMAC，可作64級FIR運算而不必考慮溢出;計算、選擇、存儲單元(CCSU)，特別適合Viterbi等算法;40bit桶型移位寄存器;片上雙存取RAM，每機器周期可存取兩次;片上單存取RAM，可同時訪問兩塊片上存儲區(qū);片上外圍接口，包括串口、定時器、PLL、HPI接口等。
TMS320C542自身特點如下25ns單周期定點指令執(zhí)行時間，5V供電0K Words口16bit 片上雙存取RAM64K Words程序，64K Words數(shù)據(jù)，64K Words l/0存儲空間2K Words HPI接口，可通過此接口方便地與主設(shè)備進行信息交換，主設(shè)備也可通過此接口下載DSP程序一個自動緩沖的串口和一個TDM串口，且都可用作標準同步串口此外，C5000系列DSP可使用JTAG接口進行調(diào)試，可完全控制DSP上的所有資源，使用方便可靠。