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DSP技術(shù)的演進及應(yīng)用
2008/2/28 15:06:13    FHD123

DSP(Digital Signal Processor)概念最早出現(xiàn)在上個世紀60年代,到70年代才由計算機實現(xiàn)部分實時處理,當時主要用于高尖端領(lǐng)域。由于DSP技術(shù)與大量運算相關(guān),每秒完成百萬條指令運算就變?yōu)橐粋新的單位MIPS(每秒百萬條指令)。80年代,有些公司陸續(xù)設(shè)計出適合于DSP處理技術(shù)的處理器,于是DSP開始成為一種高性能處理器的名稱。

目前,DSP已經(jīng)發(fā)展成為一種專用微處理器,能夠以極高的精確度即時執(zhí)行各種數(shù)學(xué)運算,這使其當之無愧地成為實時處理應(yīng)用領(lǐng)域的理想解決方案。其中,TI公司早在1982年就發(fā)布了第一顆DSP芯片,名為TMS32010,這是一個處理速度達5個MIPS的處理器。在實時信號處理領(lǐng)域,TI是業(yè)界公認的市場領(lǐng)先者,在DSP與模擬方面擁有最大的市場份額。

1、DSP的發(fā)展

在手機或數(shù)碼相機等采用DSP的數(shù)字終端設(shè)備中,模擬芯片的作用相當于一個轉(zhuǎn)換器,將真實世界的聲或光轉(zhuǎn)換成數(shù)字世界的“0”和“1”,然后由DSP即時壓縮、處理這些數(shù)字信號并對其進行修改和增強。另一端的模擬芯片再將這些經(jīng)處理的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成真實世界的信號,只有這樣,人們才能理解其傳達的信息。

這種DSP與模擬技術(shù)的組合可創(chuàng)建具有以下卓越特性的解決方案:通過線纜調(diào)制解調(diào)器與DSL提高因特網(wǎng)的訪問速度;支持VoIP與IP功能;使手機音質(zhì)更清晰;使3G無線電話具備視頻及因特網(wǎng)功能;通過因特網(wǎng)迅速下載音樂;使白色家電及其他各種設(shè)備更“安靜”、更“智能”以及更節(jié)能。

TI首席科學(xué)家方進(Gene Frantz)曾表示,“DSP產(chǎn)業(yè)在約40年的歷程中經(jīng)歷了三個階段:第一階段,DSP意味著數(shù)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(shù)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(gòu)都被嵌入到SoC類產(chǎn)品中!

(1)DSP發(fā)展的三個階段

60-70年代DSP剛開始出現(xiàn)時,主要是采用NMOS工藝,然后由于功耗的原因,很快轉(zhuǎn)到CMOS,例如C54、C55等型號中的C就表示CMOS。那個時候成本還是比較高的,實現(xiàn)每個MIPS的成本高達10-100美元,成為商品化的障礙。

80年代開始了第二個階段,DSP從概念走向了產(chǎn)品,TMS32010所實現(xiàn)的出色性能和特性備受業(yè)界關(guān)注。當設(shè)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(yīng)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(xiàn)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(lǐng)域與TI進行市場競爭。TI首家提供可定制 DSP——cDSP,cDSP基于內(nèi)核 DSP的設(shè)計可使DSP具有更高的系統(tǒng)集成度,加速了產(chǎn)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(lǐng)域。到90年代中期,這種可編程的DSP器件已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信、海量存儲、語音處理、汽車電子、消費類音頻和視頻產(chǎn)品等等,其中最為輝煌的成就是在數(shù)字蜂窩電話中的成功。這時,DSP業(yè)務(wù)也一躍成為TI最大的業(yè)務(wù),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(diào)整DSP發(fā)展戰(zhàn)略全局規(guī)劃,并以全面的產(chǎn)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(chǎn)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(shè)定為幾個美分或更低。

(2)DSP演進的動力:性能、價格、功耗

CMOS工藝的改變大大降低了功耗,而且隨著工藝節(jié)點從3微米、0.8微米、0.1微米以及未來的納米工藝,低功耗是DSP一個不變的特性。同時,DSP的主頻不斷得到提升,從開始的5MHz,到100MHz、200MHz。

在DSP的演進中,一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在90年代中期,TI開發(fā)出多并行處理結(jié)構(gòu),1997年推出了C6000 DSP,有8個并行運算單元,原來每個單元性能可達200MPS,這樣一下子提高了8倍到1600 MIPS。這些運算單元可以有不同的組合,分為2組、每組4個,包括邏輯處理、數(shù)字處理、乘法運算、移位處理四類單元,分別適合不同的應(yīng)用。這一時期,DSP已廣泛用于數(shù)據(jù)通信、海量存儲、語音處理、消費音視頻產(chǎn)品等,特別是在蜂窩電話領(lǐng)域的成功。今天,針對基站應(yīng)用的C6416主頻達到1.1GHz、處理能力超過8000MIPS。

性能、價格、功耗永遠是DSP追求的目標。每隔十年DSP的性能、規(guī)模、工藝、價格等就會發(fā)生一個躍遷。DSP的演進同樣遵循著摩爾定律,伴隨著集成度的不斷提高,是性能的提升、價格的下降。

針對DSP功耗的變動趨勢,存在一個Gene定律。1982年每MIPS的功耗為250mW,到1992下降為12.5mW,而到2000年僅為0.1mW,2004年到0.01mW,而預(yù)計2010年將挑戰(zhàn)0.001mW。Gene定律認為,DSP功耗性能比每隔5年將降低10倍。

2、DSP算法及芯片分類

DSP運算的基本類型是乘法和累加(MAC)運算,對于卷積、相關(guān)、濾波和FFT基本上都是這一類運算。這樣的運算可以用通用機來完成,但受到其成本和結(jié)構(gòu)的限制不可能有很高的實時處理能力。

DSP運算的特點是尋址操作。數(shù)據(jù)尋址范圍大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜但很有規(guī)律。例如FFT運算,它的蝶形運算相關(guān)節(jié)點從相鄰兩點直至跨越N/2間隔的地址范圍,每次變更都很有規(guī)律,級間按一定規(guī)律排列,雖然要運算log2N遍,但每級的地址都可以預(yù)測,也就是尋址操作很有規(guī)律而且可以預(yù)測。這就不同于一般的通用機,在通用機中對數(shù)據(jù)庫的操作,具有很大的隨機性,這種隨機尋址方式不是信號處理器的強項。

可以看出,無論是專用的DSP芯片或通用DSP芯片在結(jié)構(gòu)考慮上都能適應(yīng)DSP運算的這些特點。而專用芯片在結(jié)構(gòu)上考慮的更加專業(yè)化,更為合理,因而有更高的運算速度。DSP芯片按用途或構(gòu)成分類可以分為下列幾種類型:

(1)為不同算法而專門設(shè)計的專用芯片。例如,用于做卷積/相關(guān)并具有橫向濾波器結(jié)構(gòu):INMOS公司的A100、A110;HARRIS公司的HPS43168;PLESSY GEC公司的PDSP16256等。

(2)用于做FFT:Austek公司的A41102,PLESSY GEC公司的PDSP16150等。這些都是為做FIR、IIR、FFT運算而設(shè)計的,因而運算速度高,但是具有有限的可編程能力,靈活性差。

(3)為某種目的應(yīng)用的專門設(shè)計系統(tǒng),即ASIC系統(tǒng)。它只涉及一種或一種以上自然類型數(shù)據(jù)的處理,例如音頻、視頻、語音的壓縮和解壓,調(diào)制/解調(diào)器等。其內(nèi)部都是由基本DSP運算單元構(gòu)建,包括FIR、IIR、FFT、DCT,以及卷積碼的編/解碼器及RS編/解碼器等。其特點是計算復(fù)雜而且密集,數(shù)據(jù)量、運算量都很大。

(4)積木式結(jié)構(gòu):它是由乘法器、存儲器、控制電路等單元邏輯電路搭接而成,這種結(jié)構(gòu)方式也稱為硬連線邏輯電路。它是一種早期實現(xiàn)方法,具有成本低、速度高等特點,由于是硬連接因而沒有可編程能力。目前主要用于接收機的前端某些高頻操作中。

(5)用FPGA(現(xiàn)場可編程陳列)實現(xiàn)DSP的各種功能。實質(zhì)上這也是一種硬連接邏輯電路,但由于有現(xiàn)場可編程能力,允許根據(jù)需要迅速重新組合基礎(chǔ)邏輯來滿足使用要求,因而更加靈活,而且比通用DSP芯片具有更高的速度。一些公司,如Xinlinx、Altera也正把FPGA產(chǎn)品擴展到DSP應(yīng)用中去。

3、DSP在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、便攜式音樂播放器及數(shù)數(shù)字頻廣播(DAB)等日漸普及,在車用娛樂領(lǐng)域中,能支援多種媒體的數(shù)字系統(tǒng)也就越來越不可或缺。隨著數(shù)字音響不斷發(fā)展,可以預(yù)見今后數(shù)年內(nèi),模擬信號處理將被以數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)、數(shù)字IF調(diào)諧器(Digital IF turner)與數(shù)字媒體為特征的系統(tǒng)所取代。

(1)車用DSP市場現(xiàn)狀

在目前以數(shù)字音響為主的市場上,與十年前相比,以高階機型為中心并搭載DSP的汽車音響已經(jīng)產(chǎn)品化,而且非常普及。主要透過對各種音效、音場控制等進行數(shù)字化,實現(xiàn)多樣且音質(zhì)較佳的音響處理。近年來包含導(dǎo)航系統(tǒng)的汽車音響中之高階機型確實滲入市場,尤其在日本和歐美各國被作為標準配置的數(shù)量急速成長。

與以前模擬信號處理的IC相比,雖然在成本、價格方面并非占盡優(yōu)勢,但最近數(shù)年來由于DSP信號處理性能的改善,加上模擬電路與周邊元件整合而降低系統(tǒng)成本等因素,相較于模擬系統(tǒng),DSP音響越來越有利,而成為持續(xù)擴大普及的重要原因。

就最近的車用DSP而言,不僅是音頻的處理,還有能夠處理AM/FM的IF以下數(shù)字信號之數(shù)字IF系統(tǒng)也頗受矚目。其重要特點在于可透過數(shù)字化,根據(jù)情況進行動態(tài)控制,以改善鄰近路徑干擾(adjacent interference)及多重路徑干擾(Multipath interference)等不良條件下的特性,并改善抗噪音性能等。

另外,透過共通的硬體,其可根據(jù)微電腦設(shè)定的不同而修改軟體以衍生各種模型(model),這不但是與模擬技術(shù)的不同之處,更逐漸成為目前汽車音響中使用的DSP主流。此外,能支援改善接收性能的雙天線、雙調(diào)諧器等多樣化系統(tǒng),也是一大特點。

在音響功能中,因DVD播放等后座娛樂的需要,對于多頻道來源的要求日漸提高,相關(guān)的音響環(huán)繞處理(surround processing)、高采樣率處理(high sample rate processing)等要求也隨之而生,對于處理能力的要求今后勢必將會更高。此外,隨著便攜式音頻播放器的普及,音響也將具備多種功能,如壓縮音頻的解碼與其音質(zhì)處理,以及與以數(shù)字廣播為首并預(yù)期今后將會大為普及的各種數(shù)字媒體的連接性等等。

另外,也必須對車用環(huán)境所要求的低功耗、抗噪音性與EMC的減少等嚴格標準加以考慮,以低功耗著稱的DSP對降低功耗的追求是無止境的,

(2)車內(nèi)媒體對DSP的需求

最新的汽車娛樂需求趨勢在于要求車用娛樂系統(tǒng)提供與家中相同的用戶體驗。從音響、導(dǎo)航系統(tǒng)、便攜式音頻播放器、車用通訊系統(tǒng)(telematic)到視訊,數(shù)字媒體不但朝多樣化發(fā)展,還要求相互連接性,今后汽車中電子系統(tǒng)的重要性也將會與日遽增。隨著汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的普及,預(yù)計今后汽車將能搭載數(shù)個視訊顯示器,處理多媒體資料,并引入寬頻的車內(nèi)網(wǎng)路。同時由于對大容量儲存空間的需求,搭載硬碟驅(qū)動器和使用大容量的記憶體也將成為當務(wù)之急。

透過具有可充電優(yōu)勢的USB或各種儲存設(shè)備與便攜式播放器進行連接,盡管最初以便攜式播放器直接播放內(nèi)容為主,但在HDD等儲存設(shè)備廣泛普及,及與內(nèi)容有關(guān)的數(shù)字著作權(quán)管理方法成熟之后,內(nèi)容也可以透過下載來擴大使用范圍。

在多媒體種類大增的同時,還必須能夠支援多種標準和介面。例如,雖然個人可以將自己的播放內(nèi)容保存在便攜式播放器中并播放,但設(shè)備間未必具有規(guī)格和介面的相容性。各種便攜式播放器及介面,雖然在各自的市場中廣泛普及,但彼此之間的介面未必進行過標準化,因此隨著使用范圍從家庭擴展至汽車,這將成為技術(shù)上的重要問題。

由于車載應(yīng)用在一定程度上受限于以往的標準和介面,因此要能支援所有的類型并非易事。除了用戶帶入車內(nèi)的多媒體內(nèi)容,下一代的系統(tǒng)選擇必須能夠支援以往由地面波傳送的收音機與電視廣播(terrestrial radio/TV broadcasting)、導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的衛(wèi)星訊息、衛(wèi)星數(shù)字廣播傳送的數(shù)字媒體。同樣地,它還必須能夠進行無線連接。為了將行動電話以免手持(handsfree)的方式連接至汽車娛樂系統(tǒng)中,目前此系統(tǒng)已整合藍芽技術(shù),將來,只要把汽車停在自家附近,就應(yīng)該能透過Wi-Fi進行連接。

最近,連接行動電話的功能開始被加裝于汽車中,在發(fā)生事故時可提供自動進行緊急呼叫等先進的資料通訊服務(wù)。這樣的連接將來可能必須發(fā)展為透過網(wǎng)際網(wǎng)路提供服務(wù)的形式,讓汽車和駕駛員可藉由上網(wǎng)獲得服務(wù)。關(guān)于地面廣播,為了要能提供防止接收性能受到鄰近路徑干擾與多重路徑干擾的系統(tǒng)技術(shù)以及必要水準的性能,軟硬體雙方的數(shù)字信號處理功能逐漸受到廣泛利用。

在談到數(shù)字收音機廣播時,由于標準視地面波、衛(wèi)星廣播及地域而異,目前為了接收各種標準的信號,分別需要專用晶片組和軟體。在下一階段中,希望可透過通用處理器對各標準的信號進行軟體處理,實現(xiàn)在接收不同廣播信號時可立即重建的系統(tǒng)通用平臺。

(3)下一代設(shè)備對DSP的要求

能滿足上述各項需求的下一代車用多媒體系統(tǒng)所要求的基本要素大致如下︰高性能的數(shù)字信號處理,以及可重建、能處理數(shù)個多媒體資料的能力。這正如同日常所使用的設(shè)備,需要具有靈活性的平臺,并可透過改變軟體更輕松地實現(xiàn)系統(tǒng)重建與功能追加。因此將會采用能支援高度多媒體功能、具備足夠的介面并結(jié)合DSP與處理器的高度整合媒體處理器。

除目前普及的數(shù)字音響與導(dǎo)航系統(tǒng)外,高品質(zhì)的資料通訊服務(wù)、視訊功能及其他媒體將如何被導(dǎo)入,尚難做出正確的預(yù)測。由于汽車OEM的設(shè)計周期長,具備完美車用功能的汽車多媒體系統(tǒng)產(chǎn)品幾乎不可能于一個周期內(nèi)進軍市場。首先會從汽車收音機的現(xiàn)有系統(tǒng)開始發(fā)展,透過系統(tǒng)升級來實現(xiàn)。雖然預(yù)計未來會出現(xiàn)在數(shù)字音響、導(dǎo)航系統(tǒng)、行動電話、數(shù)字視訊廣播的接收功能,加入與多種數(shù)字媒體互連性的整合形式,但車用設(shè)備需要怎樣的功能與系統(tǒng)劃分,還需結(jié)合市場預(yù)測進行充分調(diào)查檢討。

4、DSP走向多核與SoC
 
DSP的發(fā)展是非常幸運的,幾乎以2倍于半導(dǎo)體工業(yè)的增長速度在成長。根據(jù)行業(yè)分析機構(gòu)Farward Concepts的預(yù)計,在未來5年時間里,DSP市場將以12%的年復(fù)合增長率增長,DSP技術(shù)在未來幾年的發(fā)展將遠遠大于其在問世后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。

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。在TI最近公布的無線基礎(chǔ)設(shè)施的多核DSP中,已經(jīng)有一款6核方案,在未來25年可能一個DSP芯片將集成百個處理器。

TI公司認為,DSP的發(fā)展方向是SoC,而不是多核,達芬奇平臺就是一個SoC的典型例子,它采用了DSP(C64x)和ARM(ARM9)雙核架構(gòu),以及視頻前端、視頻加速器和很強繼承性的軟件,專門針對數(shù)字視頻應(yīng)用而設(shè)計。
 
在DSP目前優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,降低成本也是未來DSP或SoC平臺的努力目標。最早是ADI將Blackfin平臺做到10美元以下,后來10美元也成為TI的一個目標,目前,達芬奇平臺已經(jīng)有低于10美元的解決方案。

另外一個重要方面是功耗,以低功耗著稱的DSP對降低功耗的追求是無止境的。

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