DSP芯片的介绍和选型

1、引言DSP 芯片也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器 具，其主机应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求， DSP 芯片一般具有如下主要特点：（1 ）在一个指令周期可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3 ）片具有快速 RAM ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5 ）快速的中断处理和硬件 I/O 支持；（6）具有在单周期操作的多个硬件地址产生器；（7 ） 可以并行执行多个操作； （ 8 ）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可 以重叠执行。

2、在我们设计 DSP 应用系统时， DSP 芯片选型是非常重要的一个环节。在 DSP 系统硬 件设计中只有选定了 DSP 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。因此 说，DSP 芯片的选择应根据应用系统的实际需要而确定，做到既能满足使用要求，又 不浪费资源，从而也达到成本最小化的目的。DSP 实时系统设计和开发流程如图 1 所示。主要 DSP 芯片厂商及其产品仪器公司众所周知，美国仪器( Texas Instruments ，TI )是世界上最知名的 DSP 芯片生产厂 商，其产品应用也最广泛， TI 公司生产的 TMS320 系列 DSP 芯片广泛应用于各个领 域。 TI 公司在 1

3、982 年成功推出了其第一代 DSP 芯片 TMS32010 ，这是 DSP 应用历 史上的一个里程碑，从此， DSP 芯片开始得到真正的广泛应用。由于 TMS320 系列 DSP 芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所以逐渐成为目前最有影响、 最为成功的 DSP 系列处理器。目前， TI 公司在市场上主要有三大系列产品：1 )面向数字控制、运动控制的 TMS320C2000 系列，主要包括、TMS320C24xA/LF240xATMS320C24x/F24x 、TMS320LC240x/LF240xTMS320C28xx 等。（2 ）面向低功耗、手持设备、无线终端应用的TMS320C

4、5000 系列，主要包括TMS320C54x 、TMS320C54xx 、 TMS320C55x 等。（3 ）面向高性能、多功能、复杂应用领域的 TMS320C6000 系列，主要包括TMS320C62xx 、TMS320C64xx 、TMS320C67xx 等。美国模拟器件公司ADI 公司在 DSP 芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP 芯片，其定点 DSP 芯片有 ADSP2101/2103/2105 、ADSP2111/2115 、 ADSP2126/2162/2164、ADSP2127/2181、ADSP-BF532 以及 Blackfin 系列，浮点 DS

5、P 芯片有 ADSP21000/21020 、ADSP21060/21062，以及虎鲨 TS101 ，TS201S 。Motorola 公司Motorola 公司推出的 DSP 芯片比较晚。 1986 年该公司推出了定点 DSP 处理器MC56001 ；1990 年，又 推出了与 IEEE 浮点格式兼容的的浮点 DSP 芯片 MC96002还有 DSP53611 、 16 位 DSP56800 、 24 位的 DSP563XX 和 MSC8101 等产品。 杰尔公司杰尔公司的 SC1000 和 SC2000 两大系列的嵌入式 DSP 核，主要面向电信基础设施、 移动通信、多媒体服务器及其它新兴

6、应用DSP 芯片的选型参数 根据应用场合和设计目标的不同，选择 DSP 芯片的侧重点也各不相同，其主要参数包 括以下几个方面： ( 1)运算速度：首先我们要确定数字信号处理的算法，算法确定以 后其运算量和完成时间也就大体确定了，根据运算量及其时间要求就可以估算 DSP 芯 片运算速度的下限。在选择 DSP 芯片时，各个芯片运算速度的衡量标准主要有：MIPS(Millions of Instructions Per Second)，百万条指令 / 秒，一般 DSP 为20100MIPS ，使用超长指令字的 TMS320B2XX 为 2400MIPS 。必须指出的是这是 定点 DSP 芯片运算速度

7、的衡量指标，应注意的是，厂家提供的该指标一般是指峰值指 标，因此，系统设计时应留有一定的裕量。MOPS(Millions of Operations Per Second) ，每秒执行百万操作。这个指标的问题是 什么是一次操作，通常操作包括 CPU 操作外，还包括地址计算、 DMA 访问数据传输、 I/O 操作等。一般说 MOPS 越高意味着乘积 - 累加和运算速度越快。 MOPS 可以对 DSP 芯片的性能进行综合描述。MFLOPS ( Million Floating Point Operations Per Second)，百万次浮点操作 / 秒，这是衡量浮点 DSP 芯片的重要指标。

8、例如 TMS320C31 在主频为 40MHz 时，处理能 力为 40MFLOPS ，TMS320C6701 在指令周期为 6ns 时，单精度运算可达 1GFLOPS 。 浮点操作包括浮点乘法、加法、减法、存储等操作。应注意的是，厂家提供的该指标一 般是指峰值指标，因此，系统设计时应注意留有一定的裕量MBPS(Million Bit Per Second)，它是对总线和 I/O 口数据吞吐率的度量，也就是某 个总线或 I/O 的带宽。例如对 TMS320C6XXX 、200MHz 时钟、 32bit 总线时，总线 数据吞吐率则为 800Mbyte/s 或 6400MBPS 。ACS （Mult

9、iply-Accumulates Per Second），例如 TMS320C6XXX 乘加速度达300MMACS600MMACS 。指令周期，即执行一条指令所需的时间，通常以 ns （纳秒）为单位，如TMS320LC549-80 在主频为 80MHz 是的指令周期为 12.5ns 。MAC 时间， 执行一次乘法和加法运算所花费的时间： 大多数 DSP 芯片可以在一个指令 周期完成一次 MAC 运算。FFT/FIR 执行时间，运行一个 N 点 FFT 或 N 点 FIR 程序的运算时间。由于 FFT 运算 /FIR 运算是数字信号处理的一个典型算法，因此，该指标可以作为衡量芯片性能的综 合指标

10、。表 1 是基于上述某些参数对一些 DSP 芯片所作的比较（2 ）运算精度： 一般情况下，浮点 DSP 芯片的运算精度要高于定点 DSP 芯片的运 算精度，但是功耗和价格也随之上升。一般定点 DSP 芯片的字长为 16 位、 24 位或者 32 位，浮点芯片的字长为 32 位。累加器一般都为 32 位或 40 位。 定点 DSP 的特点 是主频高、速度快、成本低、功耗小，主要用于计算复杂度不高的控制、通信、语音 / 图像、消费电子产品等领域。通常可以用定点器件解决的问题，尽量用定点器件，因为 它经济、速度快、成本低，功耗小。但是在编程时要关注信号的动态围，在代码中增加 限制信号动态围的定标运算

11、，虽然我们可以通过改进算法来提高运算精度， 但是这样做 会相应增加程序的复杂度和运算量。 浮点 DSP 的速度一般比定点 DSP 处理速度低， 其 成本和功耗都比定点 DSP 高，但是由于其采用了浮点数据格式，因而处理精度，动态 围都远高于定点 DSP ，适合于运算复杂度高，精度要求高的应用场合；即使是一般的 应用，在对浮点 DSP 进行编程时，不必考虑数据溢出和精度不够的问题，因而编程要 比定点 DSP 方便、容易。因此说，运算精度要一个折衷的问题，需要根据经验等来确 定一个最佳的结合点。（3 ）字长的选择：一般浮点 DSP 芯片都用 32 位的数据字，大多数定点 DSP 芯片是 16 位数

12、据字。 而 Motorola 公司定点芯片用 24 位数据字， 以便在定点和浮点精度之间 取得折衷。字长大小是影响成本的重要因素，它影响芯片的大小、引脚数以及存储器的 大小，设计时在满足性能指标的条件下，尽可能选用最小的数据字。（4） 存储器等片硬件资源安排：包括存储器的大小，片存储器的数量，总线寻址空间等。片存储器的大小 决定了芯片运行速度和成本， 例如 TI 公司同一系列的 DSP 芯片， 不同种类芯片存储器 的配置等硬件资源各不相同。通过对算法程序和应用目标的仔细分析可以大体判定对 DSP 芯片片资源的要求。 几个重要的考虑因素是片 RAM 和 ROM 的数量、 可否外扩存 储器、总线接

13、口 / 中断 / 串行口等是否够用、是否具有 A/D 转换等。（5 ）开发调试工具：完善、方便的的开发工具和相关支持软件是开发大型、复杂DSP系统的必备条件， 对缩短产品的开发周期有很重要的作用。开发工具包括软件和硬件两 部分。软件开发工具主要包括： C 编译器、汇编器、器、程序库、软件仿真器等，在确定 DSP 算法后，编写的程序代码通过软件仿真器进行仿真运行，来确定必要的性能指 标。硬件开发工具包括在线硬件仿真器和系统开发板。 在线硬件仿真器通常是 JTAG 周 边扫描接口板，可以对设计的硬件进行在线调试；在硬件系统完成之前，不同功能的开 发板上实时运行设计的 DSP 软件，可以提高开发效率

14、。甚至在有的数量小的产品中， 直接将开发板当作最终产品。（6）功耗与电源管理：一般来说个人数字产品、便携设备和户外设备等对功耗有特殊 要求，因此这也是一个该考虑的问题。它通常包括供电电压的选择和电源的管理功能。 供电电压一般取得比较低，实施芯片的低电压供电，通常有3.3V 、2.5V ，1.8V ，0.9V等，在同样的时钟频率下，它们的功耗将远远低于 5V 供电电压的芯片。加强了对电源 的管理后，通常用休眠、等待模式等方式节省功率消耗。例如 TI 公司提供了详细的、 功能随指令类型和处理器配置而改变的应用说明。（7 ）价格及厂家的售后服务因素： 价格包括 DSP 芯片的价格和开发工具的价格。

15、如果 采用昂贵的 DSP 芯片，即使性能再高，其应用围也肯定受到一定的限制。但低价位的 芯片必然是功能较少、 片存储器少、 性能上差一些的， 这就带给编程一定的困难。 因此， 要根据实际系统的应用情况，确定一个价格适中的 DSP 芯片。还要充分考虑厂家提供 的的售后服务等因素，良好的售后技术支持也是开发过程中重要资源。（8 ）其他因素：包括 DSP 芯片的封装形式、环境要求、供货周期、生命周期等。DSP 应用选型举例面向数字控制、运动控制的 DSP 系统开发的 DSP 芯片选型 面向数字控制、运动控制主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控 制、马达控制、电力系统控制、机器人控制

16、、高精度伺服系统控制、数控机床等。当然 这些主要是针对数字运动控制系统设计的应用，在这些系统的控制中， 不仅要求有专门 用于数字控制系统的外设电路，而且要求芯片具有数字信号处理器的一般特征。例如在控制直流无刷电动机的 DSP 控制系统中，直流无刷电机运行过程要进行两种控 制，一种是转速控制，也即控制提供给定子线圈的电流；另一种是换相控制，在转子到 达指定位置改变定子导通相， 实现定子磁场改变， 这种控制实际上实现了物理电刷的机 制。因此这种电机需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电 动势特点进行反电动势过零检测等。电机速度控制也是根据位置反馈信号， 计算出转子 速度，再利

17、用 PI 或 PID 等控制方法，实时调整 PWM 占空比等来实现定子电流调节。 因此，控制芯片要进行较多的计算过程。当然也有专门的直流无刷电机控制芯片；但一 般来说，在大多数应用中，除了电机控制，总还需要做一些其他的控制和通信等事情， 所以，选用带 PWM ，同时又有较强数学运算功能的芯片也是一种很好的选择。Motorola 的数字信号处理器 DSP568xx 系列整合了通用数字信号处理器快速运算功能 和单片机外围丰富的特点， 使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能力，同 时又要有较多控制功能的应用中，对直流无刷电机的控制就是这一系列 DSP 的典型应 用之一。除此之外， 数字运动控

18、领域还有 TI 公司的 TMS320C24x 系列， TMS320Lx240xx 系 列，特别是 TMS320LF2407A 在控制方面得到了非常广泛的应用， TMS320LF2407A 作为一款专门面向数字控制系统进行优化的通用可编程微处理器， 不仅具有低功耗和代 码的特点， 而且它集成了极强的数字信号处理能力，又集成了数字控制系统所必需的输 入、输出、 A/D 转换、事件捕捉等外设，其时钟频率为 40MHz ，指令周期小于 50ns ， 采用改进的哈佛结构和流水线技术，在一个指令周期可以执行几条指令。从运行速度，精度角度来讲上述两款芯片相差无几，但是 TMS320LF2407A 的调试开 发环境(