DSP

DSP微處理器

DSP芯片

DSP芯片DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號，再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點：（1）在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；（3）片內具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數據總線在兩塊中同時訪問；（4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持；（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；（6）具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；（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。當然，與通用微處理器相比，DSP微處理器（芯片）的其他通用功能相對較弱些。DSP優(yōu)點：對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部參與影響??；容易實現集成；VLSI 可以時分復用，共享處理器；方便調整處理器的系數實現自適應濾波；可實現模擬處理不能實現的功能：線性相位、多抽樣率處理、級聯、易于存儲等；可用于頻率非常低的信號。DSP缺點：需要模數轉換；受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；數字系統由耗電的有源器件構成，沒有無源設備可靠。但是其優(yōu)點遠遠超過缺點。

DSP技術的應用

語音處理：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、語音郵件、語音儲存等。圖像/圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識別、動畫、機器人視覺、多媒體、電子地圖、圖像增強等。軍事；保密通信、雷達處理、聲吶處理、導航、全球定位、跳頻電臺、搜索和反搜索等。儀器儀表：頻譜分析、函數發(fā)生、數據采集、地震處理等。自動控制：控制、深空作業(yè)、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等。醫(yī)療：助聽、超聲設備、診斷工具、病人監(jiān)護、心電圖等。家用電器：數字音響、數字電視、可視電話、音樂合成、音調控制、玩具與游戲等。生物醫(yī)學信號處理舉例：CT機示例CT：計算機X射線斷層攝影裝置。（其中發(fā)明頭顱CT英國EMI公司的豪斯菲爾德獲諾貝爾獎。）CAT:計算機X射線空間重建裝置。出現全身掃描，心臟活動立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。

心電圖分析

基于DSP的智能視頻監(jiān)控系統

傳統的視頻監(jiān)視系統是簡單的非智能閉路電視（CCTV）系統，其缺點十分明顯。這樣的系統或者需要安保人員實時監(jiān)視畫面以捕捉關鍵事件，或者需要在事后對視頻記錄進行回放并進行人工分析，耗時耗力，成本高而效率低。近幾年，DSP在智能視頻監(jiān)控系統方面的應用不斷完善，正在逐漸取代傳統的模擬非智能系統。iSuppli公司2006年的一份分析報告曾指出，IP視頻監(jiān)控系統市場到2010年將增長近十倍。 IP監(jiān)控的創(chuàng)新技術之一是“智能攝像機”，它擁有強大的數字信號處理器，能探測威脅并觸發(fā)自動響應?？梢?，DSP芯片是智能監(jiān)控的核心。
基于DSP的語音實時變速系統

在外語多媒體教學中，要求對語速進行快慢控制，以適應不同程度學生的需求。然而，傳統的語音變速產品往往在教師改變語速的同時，也改變了原說話者的語調，不能達到教學的真正目的。因此，語音變速系統應當具備調整語速的同時，還需要保證原說話者語調保持不變的特點?；贒SP（TMS320C5409）的語音實時變速系統能夠任意調整語音語速，達到外語多媒體教學的需求。

DSP發(fā)展軌跡

DSP產業(yè)在約40年的歷程中經歷了三個階段：第一階段，DSP意味著數字信號處理，并作為一個新的理論體系廣為流行；隨著這個時代的成熟，DSP進入了發(fā)展的第二階段，在這個階段，DSP代表數字信號處理器，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；接下來又催生了第三階段，這是一個賦能(enablement)的時期，我們將看到DSP理論和DSP架構都被嵌入到SoC類產品中。” 第一階段，DSP意味著數字信號處理 。 80年代開始了第二個階段，DSP從概念走向了產品，TMS32010所實現的出色性能和特性備受業(yè)界關注。方進先生在一篇文章中提到，新興的DSP業(yè)務同時也承擔著巨大的風險，究竟向哪里拓展是生死攸關的問題。當設計師努力使DSP處理器每MIPS成本降到了適合于商用的低于10美元范圍時，DSP在軍事、工業(yè)和商業(yè)應用中不斷獲得成功。到1991年，TI推出價格可與16位微處理器不相上下的DSP芯片，首次實現批量單價低于5美元，但所能提供的性能卻是其5至10倍。 到90年代，多家公司躋身DSP領域與TI進行市場競爭。TI首家提供可定制 DSP——cDSP，cDSP 基于內核 DSP的設計可使DSP具有更高的系統集成度，大加速了產品的上市時間。同時，TI瞄準DSP電子市場上成長速度最快的領域。到90年代中期，這種可編程的DSP器件已廣泛應用于數據通信、海量存儲、語音處理、汽車電子、消費類音頻和視頻產品等等，其中最為輝煌的成就是在數字蜂窩電話中的成功。這時，DSP業(yè)務也一躍成為TI最大的業(yè)務，這個階段DSP每MIPS的價格已降到10美分到1美元的范圍。 21世紀DSP發(fā)展進入第三個階段，市場競爭更加激烈，TI及時調整DSP發(fā)展戰(zhàn)略全局規(guī)劃，并以全面的產品規(guī)劃和完善的解決方案，加之全新的開發(fā)理念，深化產業(yè)化進程。成就這一進展的前提就是DSP每MIPS價格目標已設定為幾個美分或更低。

DSP未來發(fā)展

ADSP產品

１、數字信號處理器的內核結構進一步改善，多通道結構和單指令多重數據(SIMD)、特大指令字組(VLIM)將在新的高性能處理器中將占主導地位，如Analog Devices的 ADSP-2116x。ADSP產品２、DSP 和微處理器的融合：微處理器是低成本的，主要執(zhí)行智能定向控制任務的通用處理器能很好執(zhí)行智能控制任務，但是數字信號處理功能很差。而DSP的功能正好與之相反。在許多應用中均需要同時具有智能控制和數字信號處理兩種功能，如數字蜂窩電話就需要監(jiān)測和聲音處理功能。因此，把DSP和微處理器結合起來，用單一芯片的處理器實現這兩種功能，將加速個人通信機、智能電話、無線網絡產品的開發(fā)，同時簡化設計，減小PCB體積，降低功耗和整個系統的成本。例如，有多個處理器的Motorola公司的DSP5665x，有協處理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能擴展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的產品?；ヂ摼W和多媒體的應用需要將進一步加速這一融合過程。3、DSP 和高檔CPU的融合：大多數高檔GPP如Pentium 和PowerPC都是SIMD指令組的超標量結構，速度很快。LSI Logic 公司的LSI401Z采用高檔CPU的分支預示和動態(tài)緩沖技術，結構規(guī)范，利于編程，不用擔心指令排隊，使得性能大幅度提高。Intel公司涉足數字信號處理器領域將會加速這種融合。4、DSP 和SOC的融合：SOCSOC(System-On-Chip)是指把一個系統集成在一塊芯片上。

SOC

這個系統包括DSP 和系統接口軟件等。比如Virata公司購買了LSI Logic公司的ZSP400處理器內核使用許可證，將其與系統軟件如USB、10BASET、以太網、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，應用在xDSL上，得到了很好的經濟效益。因此，SOC芯片近幾年銷售很好，由1998年的1.6億片猛增至1999年的3.45億片。1999年，約39%的SOC產品應用于通訊系統。今后幾年，SOC將以每年31%的平均速度增長，到2004年將達到13億片。毋庸置疑，SOC將成為市場中越來越耀眼的明星。5、DSP 和FPGA的融合：FPGA是現場編程門陣列器件。它和DSP集成在一塊芯片上，可實現寬帶信號處理，大大提高信號處理速度。據報道，Xilinx 公司的Virtex-II FPGA對快速傅立葉變換(FFT)的處理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供編程。Xilinx公司開發(fā)出一種稱作Turbo卷積編譯碼器的高性能內核。設計者可以在FPGA中集成一個或多個Turbo內核，它支持多路大數據流，以滿足第三代(3G)WCDMA無線基站和手機的需要，同時大大WCDMA無線基站節(jié)省開發(fā)時間，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在無線通信、多媒體等領域將有廣泛應用。