試論DSP發(fā)展趨勢(shì)

摘要:數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor: DSP)是一種專門用于數(shù)字信號(hào)處理的嵌入式微處理器，擁有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，在無(wú)線通信、多媒體、醫(yī)療設(shè)備、便攜式數(shù)字終端、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)和精確制導(dǎo)武器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。該文簡(jiǎn)要介紹了DSP的產(chǎn)生及發(fā)展，并且重點(diǎn)提出了未來(lái)DSP發(fā)展面向多核、系統(tǒng)集成(systerm on chip: SoC)、高性能及可編程化的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:DSP;SoC;多核化;可編程化;趨勢(shì)

中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2009)36-10399-02

Discussion on the Development Trend of DSP

FU Xian-jun

(Sub-company Information Center， Storage Transportation Sales of Daqing Oilfield Company， Daqing 163453， China)

Abstract: DSP， which is widely used in the regions of wireless communication， multimedia， medical facilities， portable digital terminal， computer network， radar， precision guided weapon and so on. This paper make a brief introduction of the principle， birth development of DSP， and focus on the prediction the trends of DSP.

Key words: DSP; SoC; multi-core technology; programmable; trend

DSP是英文Digtal SigIlal Processor的縮寫，即數(shù)字信號(hào)處理器。DSP芯片專門用于完成各種實(shí)時(shí)數(shù)字信息的處理，它是在數(shù)字信號(hào)處理的各種理論和算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。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。

1982年，第一款商用DSP在TI公司誕生。盡管這個(gè)型號(hào)為TMS320C10(當(dāng)時(shí)為TMS32010)的芯片在今天看來(lái)顯然已經(jīng)非常落伍了——55，000個(gè)晶體管、4KRAM，3微米AMOS工藝，指令處理能力5MIPS——但它開(kāi)啟了一種可能。此后幾年，將溫度、圖像、電流、電壓等各種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的技術(shù)相繼出現(xiàn)，繼而形成了一股規(guī)模宏大的潮流，將包括手機(jī)、寬帶、硬盤驅(qū)動(dòng)器、三維圖像、MP3、數(shù)碼相繼、筆記本在內(nèi)的各種應(yīng)用裹挾進(jìn)來(lái)。

面對(duì)DSP的巨大市場(chǎng)和廣闊發(fā)展前景，世界上最大的幾個(gè)半導(dǎo)體公司都在展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。如美國(guó)TI、AD、Agere、Motorola、Siemens、Semiconductor等公司都在全力開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)DSP器件。

1 DSP的發(fā)展軌跡

DSP產(chǎn)業(yè)在約40年的歷程中經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一階段，DSP意味著數(shù)字信號(hào)處理，并作為一個(gè)新的理論體系廣為流行;隨著這個(gè)時(shí)代的成熟，DSP進(jìn)入了發(fā)展的第二階段，在這個(gè)階段，DSP代表數(shù)字信號(hào)處理器，這些DSP器件使我們生活的許多方面都發(fā)生了巨大的變化;接下來(lái)又催生了第三階段，這是一個(gè)賦能(enablement)的時(shí)期，我們將看到DSP理論和DSP架構(gòu)都被嵌入到SoC類產(chǎn)品中?！?/p>

2 DSP的趨勢(shì)

DSP的發(fā)展是非常幸運(yùn)的，幾乎以2倍于半導(dǎo)體工業(yè)的增長(zhǎng)速度在成長(zhǎng)。根據(jù)行業(yè)分析機(jī)構(gòu)Farward Concepts的預(yù)計(jì)，在未來(lái)5年時(shí)間里，DSP市場(chǎng)將以12%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，該公司總裁Will Strauss認(rèn)為:“DSP技術(shù)在未來(lái)幾年的發(fā)展將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在問(wèn)世后25年之內(nèi)的發(fā)展，并將使人類世界變得前所未有的安全、智能化和聯(lián)網(wǎng)化。”

2.1 SoC化

SoC(System on Chip)技術(shù)[1]是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術(shù)。使用SOC技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心思想，就是要把整個(gè)應(yīng)用電子系統(tǒng)全部集成在一個(gè)芯片中。

縮小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)前的DSP多數(shù)基于RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn)DSP芯核，并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)級(jí)集成電路。TI公司的TMS320C80代表當(dāng)今DSP領(lǐng)域中的最高水平，它在一塊芯片上集成了4個(gè)DSP、1個(gè)RISC處理器、1個(gè)傳輸控制器、2個(gè)視頻控制器。這樣的芯片通常稱之為MVP(多媒體視頻處理器)。它可支持各種圖像規(guī)格和各種算法，功能相當(dāng)強(qiáng)。

2.2 高性能化

在數(shù)據(jù)量飛速提高的同時(shí)，更高的運(yùn)行速度是未來(lái)DSP的必然要求和趨勢(shì)，從來(lái)沒(méi)有越發(fā)展運(yùn)行速度越緩慢的可能。從我們的計(jì)算機(jī)，消費(fèi)類數(shù)字產(chǎn)品等方面來(lái)看，更高的性能是必然的趨勢(shì)。

DSP運(yùn)算速度的提高，主要依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)。DSP的處理性能按照摩爾定律在飛速提高，雙核乃至六核使DSP的性能輕松實(shí)現(xiàn)翻番。目前，TI的TM320C6X 芯片由于采用VLIW(Very Long Instruction Word 超長(zhǎng)指令字)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其處理速度已高達(dá)2000MIPS。TMS320C55xTM DSP 系列C55xTM DSP 內(nèi)核可以為高達(dá)600 MIPS 的性能提供300 MHz 時(shí)鐘頻率。當(dāng)前DSP器件大都采用0.5μm--0.35μmCMOS 工藝，按照CMOS 的發(fā)展趨勢(shì)，DSP的運(yùn)算速度再提高100倍(達(dá)到1600GIPS)是完全有可能。

2.3 多核化

在多核故事不斷上演的今天，DSP同樣也在向多核轉(zhuǎn)變，特別是面向高速、高密度數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。多核DSP是面向高性能嵌入式應(yīng)用而出現(xiàn)的一類CMP。它在單個(gè)芯片內(nèi)集成了多個(gè)DSP核和其他類型的處理器核。相比單核DSP，多核DSP具有更強(qiáng)的并行處理能力、更優(yōu)化的功耗管理方法、更方便的編程和調(diào)試手段，將成為今后高性能嵌入式應(yīng)用的核心器件。

據(jù)ITRS預(yù)測(cè)，到2011年，一個(gè)芯片上可以集成的晶體管數(shù)目將達(dá)到32億個(gè)，工藝尺寸則將縮d，N 22納米。因此，構(gòu)建64核以上的大規(guī)模異構(gòu)多核DSP已經(jīng)具備了足夠的物理基礎(chǔ)。但是，多核DSP的設(shè)計(jì)絕不是多個(gè)DSP內(nèi)核的簡(jiǎn)單排列或拼湊，仍然面臨著許多體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。其中最主要的挑戰(zhàn)就是如何為多核DSP設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)帶寬高、擴(kuò)展性好、結(jié)構(gòu)靈活、易于編程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通路，解決多核DSP訪存延遲長(zhǎng)、數(shù)據(jù)帶寬不足、擴(kuò)展性較差等問(wèn)題，滿足多核DSP更高的數(shù)據(jù)吞吐能力需求，提高訪存與計(jì)算的并行性。

在TI公布的無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的多核DSP中，已經(jīng)有一款6核方案，在未來(lái)25年可能一個(gè)DSP芯片將集成百個(gè)處理器。TI本身于2007年年初推出了用于通信的多核DSP——TNETV3020，其主要用于高密度核心網(wǎng)絡(luò)，采用6個(gè)DSP內(nèi)核、1個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣和多種串行I/O通道，允許設(shè)計(jì)師針對(duì)通道格式轉(zhuǎn)換等任務(wù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行配置。同樣，音頻處理也需要對(duì)多任務(wù)實(shí)現(xiàn)高性能處理，對(duì)此，飛思卡爾新款Symphony DSP56724和DSP56725 DSP采用了一種雙核架構(gòu)，允許開(kāi)發(fā)人員分割處理任務(wù)，同時(shí)復(fù)用現(xiàn)有的代碼。用于視頻或混合音頻與視頻處理的多核DSP也已出現(xiàn)，例如Cradle Technologies公司的CT3616，Gennum公司的Voyageur以及Cirrus Logic公司的音頻用多核DSP

2.4 可編程化

可編程DSP[2]給生產(chǎn)廠商提供了很大的靈活性。生產(chǎn)廠商可在同一個(gè)DSP平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出各種不同型號(hào)的系列產(chǎn)品，以滿足不同用戶的需求。同時(shí)，可編程DSP也為廣大用戶提供了易于升級(jí)的良好途徑。人們已經(jīng)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。例如冰箱、洗衣機(jī)，這些原來(lái)裝有微控制器的家電如今已換成可編程DSP來(lái)進(jìn)行大功率電機(jī)控制。

由于成本和功耗原因，在特別大量的應(yīng)用中，通常都有可編程DSP，如手機(jī)。在很多應(yīng)用中，系統(tǒng)廠商需要決定采用哪條路線實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，例如目前的MP3播放器有基于ARM、DSP或ASIC三種不同的方法，它們通過(guò)不同的路線實(shí)現(xiàn)低成本和低功耗?？偟膩?lái)說(shuō)，由于產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短，設(shè)計(jì)師傾向于將越來(lái)越多的功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)?！?/p>

TI公司的C64x系列以優(yōu)越內(nèi)核與外設(shè)集而提供最高水平的性能。該新型芯片由TI的 eXpressDSP軟件及開(kāi)發(fā)工具支持，其中包括一套具有業(yè)界領(lǐng)先 C 編譯程序的開(kāi)發(fā)工具——Code Composer Studio (CCStudio)。CPU、系統(tǒng)架構(gòu)及 C 編譯器工具的完美結(jié)合能夠保持系統(tǒng)性能的全面性，同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。開(kāi)發(fā)人員還可利用由TI提供的目標(biāo)軟件組件，其中包括高度優(yōu)化的可擴(kuò)展 DSP/BIOS 實(shí)時(shí)內(nèi)核、DSP 功能庫(kù)、600多種第三方算法，以及可使開(kāi)發(fā)人員消除大部分最初低水平設(shè)計(jì)決策的eXpressDSP參考框架

2.5 定點(diǎn)DSP

自十多年前浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)誕生以來(lái)，便為實(shí)時(shí)信號(hào)處理提供了算術(shù)上更為先進(jìn)的備選方案。從理論上講，雖然浮點(diǎn)DSP的動(dòng)態(tài)范圍比定點(diǎn)DSP大，且更適合于DSP的應(yīng)用場(chǎng)合，但定點(diǎn)運(yùn)算的DSP器件的成本較低，對(duì)存儲(chǔ)器的要求也較低，而且耗電較省。因此，定點(diǎn)運(yùn)算的可編程DSP器件仍是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前銷售的DSP器件中的80%以上屬于16位定點(diǎn)可編程DSP器件，預(yù)計(jì)今后的比重將逐漸增大。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP的性能已經(jīng)比第一代產(chǎn)品提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)[3]。它廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、智能控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、軍用雷達(dá)和武器裝備等民用和軍用領(lǐng)域，是現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)器件之一。例如我們口常生活中使用的手機(jī)、媒體播放器、指紋識(shí)別儀、視頻監(jiān)控等設(shè)備中都能夠找到DSP的影子。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大以及市場(chǎng)對(duì)高性能低功耗電子產(chǎn)品的不斷追求，DSP將在多個(gè)領(lǐng)域逐漸嶄露頭角，體現(xiàn)出它在計(jì)算性能、系統(tǒng)功耗、體積和成本方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn):

[1] 蘇家洪.DSP技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(20).

[2] 姚琳.未來(lái)市場(chǎng)-功能級(jí)SoC加可編程DSP[J].電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2009(2).

[3] DSP將如何改變世界.[EB/OL].http://www.dianzinet.com/news/Z1/file/32716.html2007.