dsp技术的发展与展望

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 内蒙古大学鄂尔多斯学院 DSP技术的现状研究姓 名： 高慧 学 号： 专 业： 自动化 指导老师： 赵晓宇 院 系： 鄂尔多斯学院 2011年6月12日摘 要： DSP即为数字信号处理器(Digital Signal Processing)，是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。它具有计算速度快、体积小、功耗低等优点，是实现数字信号处理的强大工具。它的工作原理是将现实世界的模拟信号转换成数字信号，再用数学方法处理此信号，得到相应的结果。数字信号处

2、理是一门涉及许多领域的新兴学科，在现代科技发展中发挥着极其重要的作用。近年来，数字信号处理理论在不断取得进步的同时，随着半导体技术的突飞猛进，专用的数字信号处理器芯片也获得了飞速发展。随着半导体技术的进步，处理器芯片的处理能力越来越强大，使得信号处理的研究可以主要放在算法和软件方面，不再像过去那样需要过多考虑硬件。由于它的出色性能，DSP目前被广泛应用于数字通信、信号处理、工业控制、图像处理等领域。随着成本的降低，控制界已对此产生浓厚兴趣，已在不少场合得到成功应用。DSP数字信号处理器DSP芯片采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，诺依曼结构具有更高的指令执行速度。其处理速度

3、比最快的CPU快1050倍。在当今数字化时代背景下，DSP 已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的“旗手”。关键词：DSP IT公司 发展 芯片 现状 应用 展望DSP的发展历程在数字信号处理技术发展的初期（上世纪5060年代），人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。一般认为，世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司发布的S2811。1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片，从而被认为是第一块单片DSP器件。随着大规模集成电路技术的发展，最成功的DSP芯片当数美国德州公司（TexasInstruments，简称

4、TI）的一系列产品。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列

5、，即：TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。如今，TI公司的一系列DSP产品已经成为当今世界上最有影响的DSP芯片。TI公司也成为世界上最大的DSP芯片供给商，其DSP市场份额占全世界份额近50。第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一

6、个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。与其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。1986年，该公司推出了定点处理器MC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。美国模拟器件公司（Analog Devices，简称AD）在DSP芯片市场也有一定的份额，推出了一系列具有自己特色的DSP芯片，如其定点的DSP芯片ADSP2101/2103/2105，ADSP2111/2115，ADSP2161/62/64，浮点DSP有ADSP21000/020、ADSP21060/21062等。20世纪80年代以来， D

7、SP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等），处理能力提高了几十倍。DSP芯片内部要害的乘法器部件从1980年的占模片区（diearea）的40%左右下降到5%以下，片内RAM数量增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用4m的N沟道MOS（NMOS）工艺，而现在则普遍采用亚微米（Micron）CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，

8、意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。此外，DSP芯片的发展使DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。DSP系统和芯片的基本结构2.1 DSP系统的基本结构系统所需要处理的信号一般为自然条件下的模拟信号，这就需要首先将输入的信号转换为数字的电信号。这就需要A/D（模数转换）模块，A/D模块将模拟信号转换为数字的比特流，输入给DSP系统，DSP系统对数字信号进行某种处理之后，一般还需要输出为模拟信号来供人们使用，所以又用到了D/A（数模转换）模块，将处理后的数字信号转换为模拟值。 数字信号处理结构稳定性好，可重复性好，可以大规模集成，使得信号处理功能更复杂，

9、手段更灵活，精度更高。2.2 DSP芯片的结构特点DSP处理芯片，为了适应信号处理运算的需要，结构与通用的其他计算机或控制处理器相比，有较大的不同，主要的几点为：(1)具有专用的算术单元，如硬件乘法器，DSP内部设有硬件乘法器来完成乘法操作，以提高乘法速度。(2)具有特殊的总线结构哈佛结构。这种结构使DSP具有独立的地址总线和数据总线，可以同时取地址和操作数。(3)流水处理。流水技术使多个不同的操作可以同时执行，处理器内将每条指令的执行分为取址、解码、执行等阶段，不同的阶段并行执行，提高了程序执行的效率和速度。(4)高速的片内存储器。DSP芯片一般内部集成有程序和数据存储器，访问速度快，缓解总

10、线接口的压力，提高程序执行的速度。一些其他特殊功能的DSP芯片还具有一些专用的设计结构，这里不一一列出。总之，DSP功能上的特点很大程度上是针对数字信号处理算法的特点，针对性地组成专用的结构，以满足处理的需要。DSP芯片的产品和市场3.1 应用领域和市场在近20多年的时间里，DSP芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域。目前，DSP芯片的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP芯片的应用主要有： （1） 信号处理-如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、 相关运算、频谱分析、卷积等。 （2）通信-如，调制解调器、自适应均衡、数据加密

11、、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。 （3） 语音-如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。 （4）图像/图形-如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。 （5） 军事-如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。 （6） 仪器仪表-如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。 （7） 自动控制-如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。 （8） 医疗-如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。 （9）家用电器-如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等。DSP主要应

12、用市场为3C（communication、computer、consumer通信、计算机、消费类）领域，所占市场比例超过90%，并且总体市场规模在不断扩大。在数字化、个人化和网络化的推动下，预计未来的年均增长率高达40%。在全球的DSP市场中，TI公司独占鳌头，占世界市场的45%份额，其次是朗讯(28%)、ADI(12%)、摩托罗拉(12%)、其他公司(3%) 3 。3.2 世界主要的DSP芯片制造公司及其产品（1）TI公司。TI（Texas Instruments）公司在业界一直处于领先的地位。近年，TI在原来的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C

13、5X、TMS320C8X的基础上又推出了3种高性价比的DSP系列：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。这3种芯片，在我国的信号处理硬件领域应用也是非常广泛，下面作些简要介绍：TMS320C2000系列主要用于工业控制领域，提供了全系列的高性能控制芯片，代码运行效率高。除了较强的控制功能之外，还提供了方便的接口与高性能外围器件相连。主要型号有TMS320C24X和28X系列。TMS320C5000系列为高性能的低功耗定点DSP芯片。处理速度最高可以达到900 MIPS，功耗很低，可以达到0.33 mA/MHz。非常适合移动和手持系统的应用。主要有TMS32

14、0C54X和55X系列。TMS320C6000系列为新一代高性价比DSP芯片，是高端DSP处理器的代表。C6000系列的DSP定点运算可以达到1200到8 000 MIPS（百万条指令/秒），浮点运算可以达到600到 1 800 MFLOPS（百万次浮点操作/秒）的运算速度。主TI最新推出的高性能定点DSP处理器，时钟速度提高到1 GHz，单片处理能力可达到8 000 MIPS。（2）Analog Device公司。ADI公司的DSP目前主要分为3个系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。SHARC系列一直在雷达、声纳信号处理等领域享有很高的声誉，很多商用、军用的信号处理机中

15、都可以看到SHARC的身影。单片处理能力有限的SHARC之所以能够在通信信号处理领域有这么高的声誉，完全是由于ADI优秀的片间互连技术（LINK口），利用这个LINK口可以很方便地将几片、几十片SHARC连接起来组成DSP阵列，从而在单片处理能力达不到要求的场所利用DSP阵列就很容易达到了。Blackfin是近几年推出的针对性能要求比较高，同时功耗要求又比较低的场所。它所具备的优点很适合在便携式通信产品中应用。TigerSHARC是从SHARC改进的高端DSP，它的出现是ADI公司的DSP在高端领域应用开创了历史性的局面。新推出的第二代TigerSHARC ADSP-TS201S主频高达600

16、 MHz，处理能力高达14.4 GOPS，还有超大容量的RAM，使它一出世就在高端领域脱颖而出。尤其适合软件无线电的应用。DSP已经发展成为了一种成熟的技术，也是一种成熟的产品，它在数字信息时代占据越来越重要的位置，所以其市场的扩展还存在着巨大的空间。DSP的性能、价格和功耗是决定其市场的三个重要因素。挑战更高的性能，尽可能降低价格和功耗，一直是DSP追求的目标。DSP处理系统的发展现状4.1 国际发展现状简略国际DSP处理发展的现状，国外的商业化信号处理设备一直保持着快速的发展势头。欧美等科技大国保持着国际领先的地位。例如美国DSP research公司，Pentek公司，Motorola公

17、司，加拿大Dy4公司等，他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的数字信号处理系统的情况。以Pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司 300 MHz的TMS320C6203芯片，具有19 200 MIPS的处理能力，同时集成了8片32 MB的SDRAM，数据吞吐600 MB/s。该公司另一款处理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4 PowerPC处理器，工作频率400/500 MHz，两级缓存256K64 bit，最高具有16MB的SDRAM。ADI公司的TigerSHARC芯片也由

18、于其出色的协同工作能力，可以组成强大的处理器阵列，在诸多领域（特别是军事领域）获得了广泛的应用。以英国Transtech DSP公司的TP-P36N为例，它由48片TS101b（TigerSharc）芯片构成，时钟 250 MHz，具有612 GFLOPS的处理能力。DSP应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的20年中，这一进程在不断重复进行，而且周期在不断缩小。在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场，因此，DSP的产业化进程还是需要加速进行。随着竞争的加剧，DSP生产商随时调整发展规划，以全面的市场规划和完善的解决方案，加上新的开发历年，不断深化产业化进程。4.2

19、 我国发展现状随着我国信息产业的发展，近年来我国的数字信号处理学科发展较快。DSP处理器已经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛的应用，为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。全国有很多高校、科研机构的信号处理实验室都在大力研究性能更高的数字信号处理设备，取得了很多研究成果。我国的科研人员通过对先进的DSP芯片的研究，已经研制出一些高性能处理设备的解决方案，并且在板级PCB设计方面，也取得了宝贵的设计经验。以我国某电子技术研究所研制的DSP雷达数字信号处理通用模块为例，它使用了6片ADSP21060和大规模可编程器件构成通用处理模块。通过信号处理算法并行设计、系

20、统多数据流设计、处理任务分配调度程序设计，实现高速实时雷达数字信号处理 4 。以FFT算法为例，将任务分为3个流水处理过程：FFT、复数乘法、IFFT，实现多片DSP组成并行处理。在33 MHz时钟下，1 024点处理通过时间为0.7 ms，可以实现单通道数据率为1 MHz，双通道并行工作为2 MHz。国内的某大学所研制的基于TMS320C6201的高速实时数字信号处理平台，实现基-2的复数FFT，允许输入数据的动态范围16-bit，可以实现59 s内完成512点的FFT，130 s内可以完成1 024点的FFT。但是，应该看到，我国在信号处理理论、高速高性能处理器设计和制造方面与国际先进水平

21、还有较大差距。而且，主要的核心处理器件基本完全依赖进口，这也是我国半导体研究领域需要大力加强的工作之一。复杂的大型处理机PCB板级设计和制造也存在一定困难，也是需要我国科研人员发扬勇于拼搏的精神，继续的刻苦努力。DSP技术的展望可以预见未来DSP技术将向以下几方面发展：1.努力向系统级集成DSP迈进，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.DSP的内核结构进一步改善。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。3.可编程DSP是主导产品生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。人们已经发现，许多微控制器能做的事情，使用可编程DSP将做得更好更便宜。4.追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸5.定点DSP是主流。虽然浮点DSP的运算精度更高，动态范围更大，但定点DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前