DSP芯片介紹及其選型

引言

DSP芯片也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器具，其主機(jī)應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：

（1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；

（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；

（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問；

（4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)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(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；

（7） 可以并行執(zhí)行多個(gè)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。

在我們設(shè)計(jì)DSP應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)， DSP芯片選型是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中只有選定了DSP芯片，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。因此說，DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際需要而確定，做到既能滿足使用要求，又不浪費(fèi)資源，從而也達(dá)到成本最小化的目的。

DSP實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)流程如圖1所示。

主要DSP芯片廠商及其產(chǎn)品

德州儀器公司

眾所周知，美國德州儀器（Texas Instruments，TI）是世界上最知名的DSP芯片生產(chǎn)廠商，其產(chǎn)品應(yīng)用也最廣泛，TI公司生產(chǎn)的TMS320系列DSP芯片廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。TI公司在1982年成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010，這是DSP應(yīng)用歷史上的一個(gè)里程碑，從此，DSP芯片開始得到真正的廣泛應(yīng)用。由于TMS320系列DSP芯片具有價(jià)格低廉、簡單易用、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，所以逐漸成為目前最有影響、最為成功的DSP系列處理器。

目前，TI公司在市場上主要有三大系列產(chǎn)品：

（1）面向數(shù)字控制、運(yùn)動控制的TMS320C2000系列，主要包括TMS320C24x/F24x、TMS320LC240x/LF240x、TMS320C24xA/LF240xA、TMS320C28xx等。

（2）面向低功耗、手持設(shè)備、無線終端應(yīng)用的TMS320C5000系列，主要包括TMS320C54x、TMS320C54xx、TMS320C55x等。

（3）面向高性能、多功能、復(fù)雜應(yīng)用領(lǐng)域的TMS320C6000系列，主要包括TMS320C62xx、TMS320C64xx、TMS320C67xx等。

美國模擬器件公司

ADI公司在DSP芯片市場上也占有一定的份額，相繼推出了一系列具有自己特點(diǎn)的DSP芯片，其定點(diǎn)DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ADSP2111/2115、ADSP2126/2162/2164、ADSP2127/2181 、ADSP-BF532以及Blackfin系列，浮點(diǎn)DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062，以及虎鯊TS101，TS201S。

Motorola公司

Motorola 公司推出的DSP芯片比較晚。 1986年該公司推出了定點(diǎn)DSP 處理器MC56001；1990年，又 推出了與IEEE浮點(diǎn)格式兼容的的浮點(diǎn)DSP芯片MC96002。

還有DSP53611、16位DSP56800、24位的DSP563XX和MSC8101等產(chǎn)品。

杰爾公司

杰爾公司的SC1000和SC2000兩大系列的嵌入式DSP內(nèi)核，主要面向電信基礎(chǔ)設(shè)施、移動通信、多媒體服務(wù)器及其它新興應(yīng)用。

DSP芯片的選型參數(shù)

根據(jù)應(yīng)用場合和設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同，選擇DSP芯片的側(cè)重點(diǎn)也各不相同，其主要參數(shù)包括以下幾個(gè)方面：

（1）運(yùn)算速度：首先我們要確定數(shù)字信號處理的算法，算法確定以后其運(yùn)算量和完成時(shí)間也就大體確定了，根據(jù)運(yùn)算量及其時(shí)間要求就可以估算DSP芯片運(yùn)算速度的下限。在選擇DSP芯片時(shí)，各個(gè)芯片運(yùn)算速度的衡量標(biāo)準(zhǔn)主要有：

MIPS(Millions of Instructions Per Second)，百萬條指令/秒，一般DSP為20~100MIPS，使用超長指令字的TMS320B2XX為2400MIPS。必須指出的是這是定點(diǎn)DSP芯片運(yùn)算速度的衡量指標(biāo)，應(yīng)注意的是，廠家提供的該指標(biāo)一般是指峰值指標(biāo)，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有一定的裕量。

MOPS(Mill

ions of Operations Per Second)，每秒執(zhí)行百萬操作。這個(gè)指標(biāo)的問題是什么是一次操作，通常操作包括CPU操作外，還包括地址計(jì)算、DMA訪問數(shù)據(jù)傳輸、I/O操作等。一般說MOPS越高意味著乘積-累加和運(yùn)算速度越快。MOPS可以對DSP芯片的性能進(jìn)行綜合描述。

MFLOPS（Million Floating Point Operations Per Second），百萬次浮點(diǎn)操作/秒，這是衡量浮點(diǎn)DSP芯片的重要指標(biāo)。例如TMS320C31在主頻為40MHz時(shí)，處理能力為40MFLOPS，TMS320C6701在指令周期為6ns時(shí)，單精度運(yùn)算可達(dá)1GFLOPS。浮點(diǎn)操作包括浮點(diǎn)乘法、加法、減法、存儲等操作。應(yīng)注意的是，廠家提供的該指標(biāo)一般是指峰值指標(biāo)，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意留有一定的裕量。

MBPS(Million Bit Per Second)，它是對總線和I/O口數(shù)據(jù)吞吐率的度量，也就是某個(gè)總線或I/O的帶寬。例如對TMS320C6XXX、200MHz時(shí)鐘、32bit總線時(shí)，總線數(shù)據(jù)吞吐率則為800Mbyte/s或6400MBPS。
ACS（Multiply-Accumulates Per Second），例如TMS320C6XXX乘加速度達(dá)300MMACS~600MMACS。

指令周期，即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以ns（納秒）為單位，如TMS320LC549-80在主頻為80MHz是的指令周期為12.5ns。

MAC時(shí)間，執(zhí)行一次乘法和加法運(yùn)算所花費(fèi)的時(shí)間：大多數(shù)DSP芯片可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次MAC運(yùn)算。

FFT/FIR執(zhí)行時(shí)間，運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)FFT或N點(diǎn)FIR程序的運(yùn)算時(shí)間。由于FFT運(yùn)算/FIR運(yùn)算是數(shù)字信號處理的一個(gè)典型算法，因此，該指標(biāo)可以作為衡量芯片性能的綜合指標(biāo)。

表1是基于上述某些參數(shù)對一些DSP芯片所作的比較。

   
 
（2）運(yùn)算精度： 一般情況下，浮點(diǎn)DSP芯片的運(yùn)算精度要高于定點(diǎn)DSP芯片的運(yùn)算精度，但是功耗和價(jià)格也隨之上升。一般定點(diǎn)DSP芯片的字長為16位、24位或者32位，浮點(diǎn)芯片的字長為32位。累加器一般都為32位或40位。 定點(diǎn)DSP的特點(diǎn)是主頻高、速度快、成本低、功耗小，主要用于計(jì)算復(fù)雜度不高的控制、通信、語音/圖像、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。通?？梢杂枚c(diǎn)器件解決的問題，盡量用定點(diǎn)器件，因?yàn)樗?jīng)濟(jì)、速度快、成本低，功耗小。但是在編程時(shí)要關(guān)注信號的動態(tài)范圍，在代碼中增加限制信號動態(tài)范圍的定標(biāo)運(yùn)算，雖然我們可以通過改進(jìn)算法來提高運(yùn)算精度，但是這樣做會相應(yīng)增加程序的復(fù)雜度和運(yùn)算量。浮點(diǎn)DSP的速度一般比定點(diǎn)DSP處理速度低，其成本和功耗都比定點(diǎn)DSP高，但是由于其采用了浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，因而處理精度，動態(tài)范圍都遠(yuǎn)高于定點(diǎn)DSP，適合于運(yùn)算復(fù)雜度高，精度要求高的應(yīng)用場合；即使是一般的應(yīng)用，在對浮點(diǎn)DSP進(jìn)行編程時(shí)，不必考慮數(shù)據(jù)溢出和精度不夠的問題，因而編程要比定點(diǎn)DSP方便、容易。因此說，運(yùn)算精度要求是一個(gè)折衷的問題，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)等來確定一個(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn)。

（3）字長的選擇：一般浮點(diǎn)DSP芯片都用32位的數(shù)據(jù)字，大多數(shù)定點(diǎn)DSP芯片是16位數(shù)據(jù)字。而Motorola公司定點(diǎn)芯片用24位數(shù)據(jù)字，以便在定點(diǎn)和浮點(diǎn)精度之間取得折衷。字長大小是影響成本的重要因素，它影響芯片的大小、引腳數(shù)以及存儲器的大小，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足性能指標(biāo)的條件下，盡可能選用最小的數(shù)據(jù)字。

(4)存儲器等片內(nèi)硬件資源安排：包括存儲器的大小，片內(nèi)存儲器的數(shù)量，總線尋址空間等。片內(nèi)存儲器的大小決定了芯片運(yùn)行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同種類芯片存儲器的配置等硬件資源各不相同。通過對算法程序和應(yīng)用目標(biāo)的仔細(xì)分析可以大體判定對DSP芯片片內(nèi)資源的要求。幾個(gè)重要的考慮因素是片內(nèi)RAM和ROM的數(shù)量、可否外擴(kuò)存儲器、總線接口/中斷/串行口等是否夠用、是否具有A/D轉(zhuǎn)換等。

（5）開發(fā)調(diào)試工具：完善、方便的的開發(fā)工具和相關(guān)支持軟件是開發(fā)大型、復(fù)雜DSP系統(tǒng)的必備條件，對縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期有很重要的作用。開發(fā)工具包括軟件和硬件兩部分。軟件開發(fā)工具主要包括：C編譯器、匯編器、鏈接器、程序庫、軟件仿真器等，在確定DSP算法后，編寫的程序代碼通過軟件仿真器進(jìn)行仿真運(yùn)行，來確定必要的性能指標(biāo)。硬件開發(fā)工具包括在線硬件仿真器和系統(tǒng)開發(fā)板。在線硬件仿真器通常是JTAG周邊掃描接口板，可以對設(shè)計(jì)的硬件進(jìn)行在線調(diào)試；在硬件系統(tǒng)完成之前，不同功能的開發(fā)板上實(shí)時(shí)運(yùn)行設(shè)計(jì)的DSP軟件，可以提高開發(fā)效率。甚至在有的數(shù)量小的產(chǎn)品中，直接將開發(fā)板當(dāng)作最終產(chǎn)品。

（6）功耗與電源管理：一般來說個(gè)人數(shù)字產(chǎn)品、便攜設(shè)備和戶外設(shè)備等對功耗有特殊要求，因此這也是一個(gè)該考慮的問題。它通常包括供電

電壓的選擇和電源的管理功能。供電電壓一般取得比較低，實(shí)施芯片的低電壓供電，通常有3.3V、2.5V，1.8V，0.9V等，在同樣的時(shí)鐘頻率下，它們的功耗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5V供電電壓的芯片。加強(qiáng)了對電源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式節(jié)省功率消耗。例如TI公司提供了詳細(xì)的、功能隨指令類型和處理器配置而改變的應(yīng)用說明。

（7）價(jià)格及廠家的售后服務(wù)因素：價(jià)格包括DSP芯片的價(jià)格和開發(fā)工具的價(jià)格。如果采用昂貴的DSP芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍也肯定受到一定的限制。但低價(jià)位的芯片必然是功能較少、片內(nèi)存儲器少、性能上差一些的，這就帶給編程一定的困難。因此，要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，確定一個(gè)價(jià)格適中的DSP芯片。還要充分考慮廠家提供的的售后服務(wù)等因素，良好的售后技術(shù)支持也是開發(fā)過程中重要資源。

（8）其他因素：包括DSP芯片的封裝形式、環(huán)境要求、供貨周期、生命周期等。

DSP應(yīng)用選型舉例

面向數(shù)字控制、運(yùn)動控制的DSP 系統(tǒng)開發(fā)的DSP芯片選型

面向數(shù)字控制、運(yùn)動控制主要有磁盤驅(qū)動控制、引擎控制、激光打印機(jī)控制、噴繪機(jī)控制、馬達(dá)控制、電力系統(tǒng)控制、機(jī)器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機(jī)床等。當(dāng)然這些主要是針對數(shù)字運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，在這些系統(tǒng)的控制中，不僅要求有專門用于數(shù)字控制系統(tǒng)的外設(shè)電路，而且要求芯片具有數(shù)字信號處理器的一般特征。

例如在控制直流無刷電動機(jī)的DSP控制系統(tǒng)中，直流無刷電機(jī)運(yùn)行過程要進(jìn)行兩種控制，一種是轉(zhuǎn)速控制，也即控制提供給定子線圈的電流；另一種是換相控制，在轉(zhuǎn)子到達(dá)指定位置改變定子導(dǎo)通相，實(shí)現(xiàn)定子磁場改變，這種控制實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了物理電刷的機(jī)制。因此這種電機(jī)需要有位置反饋機(jī)制，比如霍爾元件、光電碼盤，或者利用梯形反電動勢特點(diǎn)進(jìn)行反電動勢過零檢測等。電機(jī)速度控制也是根據(jù)位置反饋信號，計(jì)算出轉(zhuǎn)子速度，再利用PI或PID等控制方法，實(shí)時(shí)調(diào)整PWM占空比等來實(shí)現(xiàn)定子電流調(diào)節(jié)。因此，控制芯片要進(jìn)行較多的計(jì)算過程。當(dāng)然也有專門的直流無刷電機(jī)控制芯片；但一般來說，在大多數(shù)應(yīng)用中，除了電機(jī)控制，總還需要做一些其他的控制和通信等事情，所以，選用帶PWM，同時(shí)又有較強(qiáng)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能的芯片也是一種很好的選擇。

Motorola的數(shù)字信號處理器DSP568xx系列整合了通用數(shù)字信號處理器快速運(yùn)算功能和單片機(jī)外圍豐富的特點(diǎn)，使得該系列特別適合于那些要求有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)又要有較多控制功能的應(yīng)用中，對直流無刷電機(jī)的控制就是這一系列DSP的典型應(yīng)用之一。

除此之外，數(shù)字運(yùn)動控領(lǐng)域還有TI公司的TMS320C24x系列，TMS320Lx240xx系列，特別是TMS320LF2407A在控制方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，TMS320LF2407A作為一款專門面向數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的通用可編程微處理器，不僅具有低功耗和代碼保密的特點(diǎn)，而且它集成了極強(qiáng)的數(shù)字信號處理能力，又集成了數(shù)字控制系統(tǒng)所必需的輸入、輸出、A/D轉(zhuǎn)換、事件捕捉等外設(shè)，其時(shí)鐘頻率為40MHz，指令周期小于50ns，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，在一個(gè)指令周期內(nèi)可以執(zhí)行幾條指令。

從運(yùn)行速度，精度角度來講上述兩款芯片相差無幾，但是TMS320LF2407A的調(diào)試開發(fā)環(huán)境（CCS）更加成熟，可參考的資料也更豐富，這樣無疑會減少開發(fā)周期。 面向低功耗、手持設(shè)備、無線終 端應(yīng)用的DSP芯片選型

C54X、C54XX、C55X 相比其它系列的主要特點(diǎn)是低功耗，所以最適合個(gè)人與便攜式上網(wǎng)以及無線通信應(yīng)用，如手機(jī)、PDA、GPS等應(yīng)用。處理速度在80~400MIPS之間。C54XX和C55XX 一般只具有McBSP同步串口、HPI并行接口、定時(shí)器、DMA等外設(shè)。值得注意的是C55XX提供了EMIF外部存儲器擴(kuò)展接口，可以直接使用SDRAM，而C54XX則不能直接使用。

未來DSP發(fā)展趨勢

在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，無線應(yīng)用仍將是可編程DSP市場的驅(qū)動引擎。DSP技術(shù)仍將是能夠訪問窄帶、寬帶或是無線互聯(lián)網(wǎng)的主要手段，它還是新興的分組(IP)電話市場的關(guān)鍵技術(shù)，DSP仍將是整個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)的技術(shù)驅(qū)動力。

在產(chǎn)品應(yīng)用上，目前重要的DSP應(yīng)用產(chǎn)品，如移動電話、調(diào)制解調(diào)器、HDD等個(gè)人計(jì)算機(jī)與通訊領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品。但種種跡象表明，數(shù)字革命促進(jìn)了高性能DSP的廣泛應(yīng)用，如數(shù)碼相機(jī)、VoIP電話和手持電子設(shè)備等。中國在消費(fèi)電子產(chǎn)品上的發(fā)展更為引人注目，許多消費(fèi)類電子產(chǎn)品需要更低成本、更易使用的DSP產(chǎn)品，如音響設(shè)備、DVR、機(jī)頂盒等。整體來看，DSP應(yīng)用在通訊領(lǐng)域、數(shù)字影音的產(chǎn)品將越來越普及。