DSP技术应用现状以及发展趋势(精)

DSP技术应用现状以及发展趋势 一 数字信号处理结构 实时数字信号处理系统 采集系统 DSP芯片 非实时系统 pc机上进行处理系统的模拟与仿真或仿真库 DSP芯片 1 DSP MCU MPU的关系 微控制器MCU通俗的称呼是单片机 它与微处理器MPU是微机技术的两大分支 MPU的发展动力是人类对无止境的海量数值运算的需求 速度越来越快 MCU的 发展是为了满足被控制对象的要求 向高可靠性 低功耗 低成本发展 一般MCU 的引脚数在60以下 MCU以8位机为主 32位机为辅 有趋势提高MCU的运算功能 将DSP集成到MCU中 比如32位的MC68356集成了Motorola的DSP56002 微控制器MCU一直存在两种基本结构 哈佛 Harvard 结构和冯诺依曼 von Meumann 结构 还可进一步讲是对应成复杂指令集计算机CISC和精简指令计算机 RISC 冯诺伊曼结构具有单一总线PRAM或DRAM都映射到同一地址空间 总线 宽度与CPU类型匹配 哈佛结构具有独立的程序总线和数据总线 CISC的指令一 般是微码miccode 每条指令由CPU解码为许多基本指令 基于CISC的微控制器一 般很复杂 都采用冯诺伊曼结构 所需要的程序存储器比RISC产品少 微码在CPU 产生而限制了CISC器件的带宽 其指令集也比RISC器件大 68000的MPU是准32位的MPU 内部32位 外部总线是16位 苹果机就是用68000系 列 它的运行分成系统态和用户态 其设计是面向分时多任务或实时操作系统的 68000的总线后来变成VME总线标准 到68020就是全32位了 1991年IEEE1149 1即JTAG的公布满足了IC制造商的措施需求 也给ASIC MCU MPU DSP PLD FPGA等的用户带来方便 一般十万门以上的IC都有JTAG接口 1993年IEEE1149 5对JTAG作了修正 5线接口 IC的测试分成晶片级 IC封装级 电路板与系统极 JTAG完成了前两者的测试 适于68000系列的32位机的开发工具 ICD32是一段扁平电缆 一端接IC的JTAG的5线接口 一端通过25芯头 里面有GA L 接PC机并口 传统上 微控制器MCU与微处理器MPU是两大分支 而DSP是MC U的一种特殊变形 但是从实质讲 MPU多半是CISC 除了DSP之外的MCU也是CI SC 而DSP是RISC 所以比较时更适合DSP与MPU相比 MPU适宜于相同管理这 样的应用中 以条件判断为主的应用 以软件管理的操作系统为核心的产品 MPU 的设计侧重于不妨碍程序的 流程 以保证操作系统支持功能及转移预测功能等 而DSP侧重于保证数据的顺利 通行 结构尽量简单 2 冯 诺依曼结构和哈佛结构 1945年 冯 诺依曼首先提出了 存储程序 的概念和二进制原理 后来 人们把利用 这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为 冯 诺曼型结构 计算机 冯 诺曼结 构的处理器使用同一个存储器 经由同一个总线传输 冯 诺曼结构处理器具有以下几个特点 必须有一个存储器 必须有一个控制器 必须有一个运算器 用于完成算术运算和逻辑运算 必须有输入和输出设备 用于进行人机通信 另外 程序和数据统一存储并在程序控制下自动工作 冯 诺依曼的主要贡献就是提出并实现了 存储程序 的概念 由于指令和数据都是 二进制码 指令和操作数的地址又密切相关 因此 当初选择这种结构是自然的 但是 这种指令和数据共享同一总线的结构 使得信息流的传输成为限制计算机性 能的瓶颈 影响了数据处理速度的提高 在典型情况下 完成一条指令需要3个步骤 即 取指令 指令译码和执行指令 从 指令流的定时关系也可看出冯 诺依曼结构与哈佛结构处理方式的差别 举一个最 简单的对存储器进行读写操作的指令 指令1至指令3均为存 取数指令 对冯 诺曼 结构处理器 由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取 经由同一总线传输 因而它们无法重叠执行 只有一个完成后再进行下一个 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构 中央处理器首先 到程序指令存储器中读取程序指令内容 解码後得到数据地址 再到相应的数据存 储器中读取数据 并进行下一步的操作 通常是执行 程序指令存储和数据存储分 开 可以使指令和数据有不同的数据宽度 如Microchip公司的 PIC16芯片的程序指令是14位宽度 而数据是8位宽度 哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率 其程序指令和数据指令分开组织 和存储的 执行时可以预先读取下一条指令 目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多 除了上面提到的Microchip公 司的PIC系列芯片 还有摩托罗拉公司的MC68系列 Zilog公司的Z8系列 ATMEL 公司的AVR系列和安谋公司的ARM9 ARM10和ARM11 哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构 目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈 例如最常见的卷积运算中 一条指令同时取两个操作数 在流水线处理时 同时还有一个取指操作 如果程序和数据通过一条总线访问 取指和取数必会产生冲突 而这对大运算量的循环的执行效率是很不利的 哈佛结构能基本上解决取指和取数的冲突问题 而对另一个操作数的访问 就只能采用Enhanced 哈佛结构了 例如像TI那样 数据区再split 并多一组总线 或向AD 那样 采用指令cache 指令区可存放一部分 二 DSP应用方向 其他cpu和控制器融合趋势 发展方向 DSP技术在各领域的创新应用 2 1 通信领域的应用 近年来 随着通信技术的飞速发展 DSP已经成为信号与信息处理领域里一门十分 重要的新兴学科 它代表着当今无线系统的主流发展方向 现在 通信领域中许多 产品都与DSP密切联系 例如 Modem 数据加密 扩频通信 可视电话等 而寻找 DSP芯片来实现算法最开始的目标是在可以接受的时间内对算法做仿真 随后是 将波形存储起来 然后再加以处理 图1所示 给出了一个典型的DSP应用系统 数 字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域 因DSP具有强大的计算能力 使得移动通 信的蜂窝电话重新崛起 并创造了一批诸如GSM CDMA等全数字蜂窝电话网 3 由于采用DSP 技术 蜂窝电话的更新换代变得更为容易 只需在统一的硬件平台基础上 通过软 件的不断升级生产各式各样的新款手机 图1 系统方框图 输入信号首先进行带限滤波和抽样 然后进行模 数转换 将模拟信号转换成数字 比特流 根据香农抽样定理 为保持信息的不丢失 抽样频率至少必须是输入带限 信号最高频率的两倍 2 2 仪器仪表领域的应用 DSP已经涉足测量仪表和测试仪器行业 而且大有取代高档单片机的趋势 使用D SP开发测量仪表和测试仪器可将产品提升到一个崭新的水平 新款DSP丰富的片 内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电路 实现仪器仪表的SOC System On Chip 即片上系统 设计 仪器仪表的测量精度和速度是一项重要的指标 使用DSP芯片开发产品可使这两 项指标大大提高 以TMS320F2810为例 其高效的32位CPU内核 优异的12位A D 转换器 丰富的片内存储器以及灵活的指令系统为我们开发快速 高精度仪器搭建 了广阔的平台 目前DSP正处于一个高速发展的时期 仪器仪表是DSP的一个重要应用领域 相信 DSP的应用会推进仪器仪表的技术革新 2 3 PC领域中的应用 可编程多媒体DSP是PC领域的主流产品 以XDSL Modem为代表的高速通信技术与MPEG图像技术相结合 使得高品位的音频和视 频形式的计算机数据有可能实现实时交换 预计在今后的PC机中 一个DSP即可 完成全部所需的多媒体的处理功能 2 4 全新数码助听器中的应用 由于传统助听器线路功能的局限性 无法满足大部分听障患者的要求 这个使命理 所当然的留给了全数码助听器 在国外 助听器的技术正由传统的电子放大电路逐 步被DSP所取代 DSP具有强大的处理功能 能让听障患者听到更清晰的 想要听 到的声音 去除患者不想听到的声音 从而使现代的助听器技术产生一个质的飞跃 数字信号处理是全数码助听器的核心部分 它为调整输入 输出特性和系统的频 率响应特性提供很强的灵活性 2 5 图形图像技术领域的应用 DVD里应用的活动图像压缩 解压缩用MPEG2编码 译码器 同时也广泛地应用 于视频点播VOD 高品位有线电视和卫星广播等诸多领域 在这些领域里 应用的 DSP应该具备更高的处理速度和功能 而且 活动图像压缩 解压技术也日新月异 例如 DCT变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量 于是出现了对以视觉感 知特性为指导的小波分 析图像压缩方法 新的算法出现 要求相应的高性能DSP 最近 日本各大学和高 技术企业对于开发虚拟现实VR系统 投入相当力量 利用现代计算机图像学CG生 成3维图形 迫切需要多个DSP并行处理系统 其中 系统里的结点DSP单元 要求 采用与并行处理相适应的体系结构 2 6 汽车电子系统及其他应用领域 汽车电子系统日益兴旺发达起来 诸如装设红外线和毫米波雷达 将需用DSP进行 分析 如今 汽车愈来愈多 防冲撞系统已成为研究热点 而且 利用摄像机拍摄的 图像数据需要经过DSP处理 才能在驾驶系统里显示出来 供驾驶人员参考 应用 DSP的领域可以说是不胜枚举 电视会议系统里 也大量应用DSP器件 视听机器 里也都应用DSP 随着科学技术的发展 将会出现许许多多的DSP新应用领域 3 DSP技术的发展前景 目前 DSP市场正处于高速成长阶段 在数字化 个人化和网络化的推动下 2009 年世界DSP市场营业额已超过800亿美元 预计未来的年增长率高达40 在全球D SP市场中 仅就美国而言 据估计 美国有超过1亿辆汽车 几千万台个人通信装置 每个家庭中就有5 20个联网的家用电器以及数以百万计的工厂使用DSP系统 中国已成为DSP芯片的最大市场 数码相机 IP电话和手持电子设备的热销带来了 对DSP芯片的巨大需求 尽管DSP市场日趋成熟 但仍有成长空间 互联网和设备 个性化是当前信息社会的特征 互联网是PC时代全球经济新的增长点 由于PC市 场仍未饱和 市场潜力巨大 也是DSP潜在的应用领域 而手机 PDA MP3播放器 以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 新的形势下 DSP面临的要求是处理速度更高 功能更多更全 功耗更低 存 储器用量更少 DSP的技术发展将会有以下一些走势 1 系统级集成DSP是潮流 小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向 当前的D SP尺寸小 功耗低 性能高 各DSP厂商纷纷采用新工艺 改进DSP芯核 并将几个 DSP芯核 MPU芯核 专用处理单元 外围电路单元 存储单元统统集成在一个芯 片上 成为DSP系统级集成电路 2 追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸 4 由于电子设备的个人化 和客户化趋势 DSP必须追求更高更快的运算速度 才能跟上电子设备的更新步伐 同时由于DSP的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域 特别是便携式手持 产品对于低功耗和尺寸的要求很高 所以DSP有待于进一步降低功耗 按照CMOS 的发展趋势 依靠新工艺改进芯片结构 DSP运算速度的提高和功耗尺寸的降低是 完全可能的 3 DSP的内核结构进一步改善 5 DSP的结构主要是针对应用 并根据应用优化 DSP设计以极大改进产品的性能 多通道结构和单指令多重数据 SIMD 超长指 令字结构 VLIM 超标量结构 超流水结构 多处理 多线程及可并行扩展的超级 哈佛结构 SHARC 在新的高性能处理器中将占据主导地位 4 DSP嵌入式系统 5 DSP嵌入式系统是 DSP系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统 4 这种系统既具有DSP器件在 数据处理方面的优势 又具有应用目标所需要的技术特征 在许多嵌入式应用领域 既需要在数据处理方面具有独特优势的DSP 也需要在智能控制方面技高一筹的 微处理器 MCU 因此 将DSP与MCU融合在一起的双核平台 将成为DSP技术发 展的一种新潮流 cpu和控制器融合趋势 多年以来 尽管PC在不断发展 但基本架构始终未变 中央处理器被连接到芯片组 上 而芯片组上又包含了内存控制器和I O控制器 随着制造工艺的提升 CPU与芯 片组的融合已经成为可能 但这并不意味着 这种趋势短期内将在整个业内普及 英特尔芯片组事业部总经理理查德 马林诺斯基表示 把所有功能融入到一块芯片 中的做法是不可行的 因为存在集成问题 威盛CEO陈文琦称 单一CPU芯片时代即将到来 在未来一两年内 威盛将继续奉 行这一路线 本月初 威盛针对UMPC市场 推出了一款体积最小的主板mobile ITX 只有名片般大小 威盛CPU设计人员霍尔特承认 CPU与芯片组的融合是威盛所追求的目标 但实现 这一点 还有一系列问题亟待解决 如制造技术和电压等问题 三 DSP开发手段 包括硬件和软件发展 DSP的软件 硬件的开发以及系统的集成 日益关注 如何提高开发速度 降低开 发难度 所有开发者共同关心 除了必须了解DSP本身的结构和技术指标外 大量 的时间和精力花费在熟悉和掌握开发工具和环境上 系统复杂程度的百分之八十 取决于软件 所以 设计人员都极为看重先进的 易于使用的开发环境与工具 DS P的开发环境如何 开发工具的功能是否丰富