DSP處理器與通用處理器的比較

DSP處理器與通用處理器的比較

1 對密集的乘法運算的支持

GPP不是設(shè)計來做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現(xiàn)代的GPP，也要求多個指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來處理多個乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱為結(jié)果bits的額外bits來避免溢出。
同時，為了充分體現(xiàn)專門的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。

2 存儲器結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)上，GPP使用馮.諾依曼存儲器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，只有一個存儲器空間通過一組總線（一個地址總線和一個數(shù)據(jù)總線）連接到處理器核。通常，做一次乘法會發(fā)生4次存儲器訪問，用掉至少四個指令周期。
大多數(shù)DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲器空間劃分成兩個，分別存儲程序和數(shù)據(jù)。它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時對它們進行訪問。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍，更重要的是同時為處理器核提供數(shù)據(jù)與指令。在這種布局下，DSP得以實現(xiàn)單周期的MAC指令。
還有一個問題，即現(xiàn)在典型的高性能GPP實際上已包含兩個片內(nèi)高速緩存，一個是數(shù)據(jù)，一個是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運行時的訪問速度。從物理上說，這種片內(nèi)的雙存儲器和總線的結(jié)構(gòu)幾乎與哈佛結(jié)構(gòu)的一樣了。然而從邏輯上說，兩者還是有重要的區(qū)別。
GPP使用控制邏輯來決定哪些數(shù)據(jù)和指令字存儲在片內(nèi)的高速緩存里，其程序員并不加以指定（也可能根本不知道）。與此相反，DSP使用多個片內(nèi)存儲器和多組總線來保證每個指令周期內(nèi)存儲器的多次訪問。在使用DSP時，程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲在片內(nèi)存儲器中。程序員在寫程序時，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線。
此外，DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)高速緩存。這是因為DSP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流。也就是說，DSP處理器對每個數(shù)據(jù)樣本做計算后，就丟棄了，幾乎不再重復(fù)使用。

3 零開銷循環(huán)
如果了解到DSP算法的一個共同的特點，即大多數(shù)的處理時間是花在執(zhí)行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件，用于零開銷循環(huán)。所謂零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時，不用花時間去檢查循環(huán)計數(shù)器的值、條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計數(shù)器減1。
與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來實現(xiàn)。某些高性能的GPP使用轉(zhuǎn)移預(yù)報硬件，幾乎達到與硬件支持的零開銷循環(huán)同樣的效果。

4 定點計算
大多數(shù)DSP使用定點計算，而不是使用浮點。雖然DSP的應(yīng)用必須十分注意數(shù)字的精確，用浮點來做應(yīng)該容易的多，但是對DSP來說，廉價也是非常重要的。定點機器比起相應(yīng)的浮點機器來要便宜（而且更快）。為了不使用浮點機器而又保證數(shù)字的準確，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計算、舍入和移位。

5 專門的尋址方式
DSP處理器往往都支持專門的尋址模式，它們對通常的信號處理操作和算法是很有用的。例如，模塊（循環(huán)）尋址（對實現(xiàn)數(shù)字濾波器延時線很有用）、位倒序?qū)ぶ罚▽FT很有用）。這些非常專門的尋址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟件來實現(xiàn)。

6 執(zhí)行時間的預(yù)測
大多數(shù)的DSP應(yīng)用（如蜂窩電話和調(diào)制解調(diào)器）都是嚴格的實時應(yīng)用，所有的處理必須在指定的時間內(nèi)完成。這就要求程序員準確地確定每個樣本需要多少處理時間，或者，至少要知道，在最壞的情況下，需要多少時間。
如果打算用低成本的GPP去完成實時信號處理的任務(wù)，執(zhí)行時間的預(yù)測大概不會成為什么問題，應(yīng)為低成本GPP具有相對直接的結(jié)構(gòu)，比較容易預(yù)測執(zhí)行時間。然而，大多數(shù)實時DSP應(yīng)用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。
這時候，DSP對高性能GPP的優(yōu)勢在于，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會放進去也是由程序員（而不是處理器）來決定的，因此很容易判斷指令是從高速緩存還是從存儲器中讀取。DSP一般不使用動態(tài)特性，如轉(zhuǎn)移預(yù)測和推理執(zhí)行等。因此，由一段給定的代碼來預(yù)測所要求的執(zhí)行時間是完全直截了當?shù)?。從而使程序員得以確定芯片的性能限制。

7 定點DSP指令集
定點DSP指令集是按兩個目標來設(shè)計的：
使處理器能夠在每個指令周期內(nèi)完成多個操作，從而提高每個指令周期的計算效率。
將存貯DSP程序的存儲器空間減到最?。ㄓ捎诖鎯ζ鲗φ麄€系統(tǒng)的成本影響甚大，該問題在對成本敏感的DSP應(yīng)用中尤為重要）。
為了實現(xiàn)這些目標，DSP處理器的指令集通常都允許程序員在一個指令內(nèi)說明若干個并行的操作。例如，在一條指令包含了MAC操作，即同時的一個或兩個數(shù)據(jù)移動。在典型的例子里，一條指令就包含了計算FIR濾波器的一節(jié)所需要的所有操作。這種高效率付出的代價是，其指令集既不直觀，也不容易使用（與GPP的指令集相比）。
GPP的程序通常并不在意處理器的指令集是否容易使用，因為他們一般使用象C或C++等高級語言。而對于DSP的程序員來說，不幸的是主要的DSP應(yīng)用程序都是用匯編語言寫的（至少部分是匯編語言優(yōu)化的）。這里有兩個理由：首先，大多數(shù)廣泛使用的高級語言，例如C，并不適合于描述典型的DSP算法。其次，DSP結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如多存儲器空間、多總線、不規(guī)則的指令集、高度專門化的硬件等，使得難于為其編寫高效率的編譯器。
即便用編譯器將C源代碼編譯成為DSP的匯編代碼，優(yōu)化的任務(wù)仍然很重。典型的DSP應(yīng)用都具有大量計算的要求，并有嚴格的開銷限制，使得程序的優(yōu)化必不可少（至少是對程序的最關(guān)鍵部分）。因此，考慮選用DSP的一個關(guān)鍵因素是，是否存在足夠的能夠較好地適應(yīng)DSP處理器指令集的程序員。

8 開發(fā)工具的要求
因為DSP應(yīng)用要求高度優(yōu)化的代碼，大多數(shù)DSP廠商都提供一些開發(fā)工具，以幫助程序員完成其優(yōu)化工作。例如，大多數(shù)廠商都提供處理器的仿真工具，以準確地仿真每個指令周期內(nèi)處理器的活動。無論對于確保實時操作還是代碼的優(yōu)化，這些都是很有用的工具。
GPP廠商通常并不提供這樣的工具，主要是因為GPP程序員通常并不需要詳細到這一層的信息。GPP缺乏精確到指令周期的仿真工具，是DSP應(yīng)用開發(fā)者所面臨的的大問題：由于幾乎不可能預(yù)測高性能GPP對于給定任務(wù)所需要的周期數(shù)，從而無法說明如何去改善代碼的性能。

微處理器（Microprocessor）的分類

通用處理器（GPP）

采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)的存儲空間合二而一
8-bit Apple（6502），NEC PC-8000（Z80）
8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/ Pentium III
PowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc，DEC Alpha, HP）
CISC 復(fù)雜指令計算機, RISC 精簡指令計算機
采取各種方法提高計算速度，提高時鐘頻率，高速總線，多級Cashe，協(xié)處理器等

Single Chip Computer/ Micro Controller Unit（MCU）

除開通用CPU所具有的ALU和CU，還有存儲器（RAM/ROM）寄存器，時鐘，計數(shù)器，定時器，串/并口，有的還有A/D，D/A
INTEL MCS/48/51/96（98）
MOTOROLA HCS05/011

DSP

采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分開存儲
采用一系列措施保證數(shù)字信號的處理速度，如對FFT的專門優(yōu)化


MCU與DSP的簡單比較

MCU DSP
低檔 高檔 低檔 高檔
指令周期(ns) 600 40 50 5
乘加時間(ns) 1900 80 50 5
US$/MIPS 1.5 0.5 0.15 0.1

飛速發(fā)展的數(shù)字信號處理器
　　由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，過去二十年中，數(shù)字信號處理技術(shù)，即DSP(Digital Signal Processor)技術(shù)也得到了突飛猛進的發(fā)展，這種發(fā)展趨勢在今后十年內(nèi)仍將保持下去。據(jù)世界半導體貿(mào)易統(tǒng)計組織發(fā)布的統(tǒng)計與預(yù)測報告，2001～2006年可編程DSP市場的預(yù)期增長率為27.2%。預(yù)期2006年DSP市場將達到141.9億美元，且增長率是逐年遞增的，2005年的增長率預(yù)期為34%。到2010年，DSP芯片的集成度將會提高11倍，單個芯片上將會集成5億只晶體管。目前DSP的生產(chǎn)工藝正在由0.35μm轉(zhuǎn)向0.25μm、0.18μm、0.13μm，到2005年可能達到0.075μm。
　　 集成度的提高使得硅片的面積進一步縮小，從而導致DSP芯片成本降低，價格下降。價格下降促使需求的上升和應(yīng)用領(lǐng)域的擴展。DSP已從軍用轉(zhuǎn)向民用，在計算機、通信、消費類電子產(chǎn)品方面即所謂3C領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。DSP在通信領(lǐng)域應(yīng)用最多，占72%，計算機占3%，消費類、辦公自動化各占2%，從趨勢上看，工業(yè)（特別是變頻電機控制）中的應(yīng)用，以及消費類產(chǎn)品中應(yīng)用的份額會有所上升。
　　在通信領(lǐng)域，DSP產(chǎn)品涵蓋了從3G無線基站到無線局域網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化電視也離不開DSP。DSP在語言處理中的應(yīng)用也是盡人皆知的，包括語言的壓縮與解壓，語言的合成，語言的識別等。
　　計算機的硬盤驅(qū)動器在使用DSP技術(shù)以后可大大提高存取速度，提高容量和縮小體積，以至于今后有可能用于掌上電腦。在PC機中，DSP可加速圖形處理功能。以后的PC機，可能每臺PC中含有不只一顆DSP芯片。在計算機外設(shè)中，激光打印機、掃描儀、光盤機等需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，都有可能用到DSP技術(shù)。
　　DSP技術(shù)發(fā)展的另一趨勢是速度更快，功耗更低，DSP片外的速度能達到幾十兆赫已經(jīng)近于極限，為了降低系統(tǒng)的噪聲，提高系統(tǒng)抗干擾能力，片外時鐘有進一步降低的趨勢，即外部使用幾兆赫的振蕩器就夠了，而片內(nèi)則用壓控振蕩器加鎖相環(huán)的技術(shù)，把片內(nèi)時鐘速度提高到100MHz、200MHz乃至更高，會有更多的DSP片內(nèi)時鐘達到1GHz。預(yù)期到2010年，同類水平的DSP的功耗將降到原來的1/3。
DSP與CPU
　　如果用普通計算機中的CPU來處理算法，做乘法和加法都要調(diào)用相應(yīng)的乘法、加法函數(shù)，如果是浮點數(shù)運算，通常CPU需要將浮點運算交給協(xié)處理處理，雖然協(xié)處理器的浮點運算速度可能很快，但加上CPU將輸入?yún)?shù)傳出，再將運算結(jié)果取回的時間，會顯得速度很慢；做循環(huán)時，要有循環(huán)變量，每次循環(huán)變量加1后再判斷是否已經(jīng)循環(huán)了n次，這一過程是比較慢的。
　　而DSP則在硬件設(shè)計上針對這類計算采取了一些獨特的設(shè)計，以求最快的運算速度，以至于趨于模擬電路的延遲時間。
　　DSP能在一個時鐘周期內(nèi)完成乘法和加法運算，并能并行地同時將下面運算要用到的兩個參數(shù)傳入相應(yīng)的運算用寄存器。在乘法及乘加指令的執(zhí)行方式上，DSP的小數(shù)乘法在算法上分定點算法DSP與浮點算法DSP。在定點類DSP中，小數(shù)點的位置是固定的，不論定點的DSP還是浮點的DSP，乘法器都是用硬件邏輯完成的，乘法可以在一個指令周期內(nèi)完成。
　　在循環(huán)方面，DSP有諸如重復(fù)n次（Repeat n），或循環(huán)n次（DO Loop n）等指令，使DSP能迅速完成n次循環(huán)，而不必每次都檢查是不是已經(jīng)循環(huán)n次了。這就是DSP在做數(shù)字信號處理方面的優(yōu)勢與獨到之處。也是DSP區(qū)別于CPU的地方。
　　DSP與CPU在結(jié)構(gòu)方面的另一區(qū)別是，DSP往往采用哈佛結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的CPU多為馮.諾曼結(jié)構(gòu)（Von Neuman）。馮.諾曼結(jié)構(gòu)指的是將程序與數(shù)據(jù)統(tǒng)一編址，不區(qū)分存儲器的程序空間和數(shù)據(jù)空間。而哈佛結(jié)構(gòu)指將程序空間與數(shù)據(jù)空間分開編址，這樣在DSP處理數(shù)據(jù)空間運算與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r可以并行地從程序空間讀取下一條指令。采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序空間與數(shù)據(jù)空間分開編址的好處是速度快，讀程序和讀寫數(shù)據(jù)可以同時進行。
　　DSP在內(nèi)核設(shè)計方面還有一個特點是采用多重流水線結(jié)構(gòu)，流水線結(jié)構(gòu)的層次深度可以從3級到6級。程序的執(zhí)行過程大致可分為讀指令、指令譯碼、指令執(zhí)行等幾個階段。DSP在第一個時鐘周期內(nèi)讀第一條指令，在第二個周期譯碼第一條指令同時在第二個周期內(nèi)讀入第二條指令，在第三個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行第一條指令，譯碼第二條指令，同時讀入第三條指令，這樣雖然執(zhí)行一條指令仍需要三個周期，可是由于并行的流水線處理，看起來好像每條指令都是在一個周期內(nèi)完成的，這就是流水線結(jié)構(gòu)。
DSP的特點
DSP在體系結(jié)構(gòu)上與通用微處理器有很大的區(qū)別。下面是幾個關(guān)鍵的不同點：
單周期指令：大多數(shù)DSP都擁有流水結(jié)構(gòu)，它可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條語句。
快速乘法器：信號處理算法往往大量用到乘加（multiply-accumulate，MAC）運算。DSP有專用的硬件乘法器，它可以在一個時鐘周期內(nèi)完成MAC運算。硬件乘法器占用了DSP芯片面積的很大一部分。（與之相反，通用微處理器采用一種較慢的、迭代的乘法技術(shù)，它可以在多個時鐘周期內(nèi)完成一次乘法運算，但是占用了較少了硅片資源）。
多總線：DSP有分開的代碼和數(shù)據(jù)總線（一般用術(shù)語“哈佛結(jié)構(gòu)”表示），這樣在同一個時鐘周期內(nèi)可以進行多次存儲器訪問——這是因為數(shù)據(jù)總線也往往有好幾組。有了這種體系結(jié)構(gòu)，DSP就可以在單個時鐘周期內(nèi)取出一條指令和一個或者兩個（或者更多）的操作數(shù)。
地址發(fā)生器：DSP有專用的硬件地址發(fā)生單元，這樣它可以支持許多信號處理算法所要求的特定數(shù)據(jù)地址模式。這包括前（后）增（減）、環(huán)狀數(shù)據(jù)緩沖的模地址以及FFT的比特倒置地址。地址發(fā)生器單元與主ALU和乘法器并行工作，這就進一步增加了DSP可以在一個時鐘周期內(nèi)可以完成的工作量。
硬件輔助循環(huán)：信號處理算法常常需要執(zhí)行緊密的指令循環(huán)。對硬件輔助循環(huán)的支持，可以讓DSP高效的循環(huán)執(zhí)行代碼塊而無需讓流水線停轉(zhuǎn)或者讓軟件來測試循環(huán)終止條件。
數(shù)據(jù)格式：除了標準的整數(shù)型格式外，DSP一般支持定點和（或）浮點數(shù)。對數(shù)據(jù)格式和精度的選擇取決于應(yīng)用程序所需，例如：
16位定點DSP可以滿足語音信號處理和控制所需
24位和32位定點DSP可以滿足高質(zhì)量音頻信號處理所需
32位浮點DSP可以滿足圖形和圖像處理所需
DSP的特點：
DSP處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)和改進的哈佛結(jié)構(gòu)。
哈佛結(jié)構(gòu)就是將程序代碼和數(shù)據(jù)的存儲空間分開,各有自己的地址和數(shù)據(jù)總線。之所以采用哈佛結(jié)構(gòu)，是為了并行進行指令和數(shù)據(jù)處理,從而可以大大地提高運算的速度。為了進一步提高信號處理的效率,在哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，又加以改善。使得程序代碼和數(shù)據(jù)存儲空間之間可以進行數(shù)據(jù)的傳輸,稱為改善的哈佛結(jié)構(gòu)。
采用流水技術(shù)。
流水技術(shù)是將各指令的各個步驟重疊起來執(zhí)行。DSP處理器所采用的將程序存儲空和數(shù)據(jù)存儲空間的地址與數(shù)據(jù)總線分開的哈佛結(jié)構(gòu)，為采用流水技術(shù)提供了很大的方便。
為了提高DSP處理器的運算速度,它們無例外地設(shè)置了硬件乘法器，以及MAC(乘并且累加)一類的指令。
DSP處理器都為DMA單獨設(shè)置了完全獨立的總線和控制器，這是和通用的CPU很不相同，其目的是在進行數(shù)據(jù)傳輸是完全不影響CPU及其相關(guān)總線的工作。
在DSP處理器中，設(shè)置了專門的數(shù)據(jù)地址發(fā)生器來產(chǎn)生所需的數(shù)據(jù)地址。數(shù)據(jù)地址的產(chǎn)生與CPU的工作是并行的，從而節(jié)省CPU的時間，提高信號的處理速度。
DSP處理器為了自身工作的需要和外部環(huán)境的協(xié)調(diào)工作。往往都設(shè)置了豐富的外設(shè)。如時鐘發(fā)生器。定時器等。
定點DSP處理器和浮點DSP處理器。定點DSP中經(jīng)常要考慮溢出問題，在浮點DSP基本上可以不考慮。與定點DSP處理器相比，浮點DSP處理器的速度更快，尤其是作浮點運算。在實時性要求很到的場合。往往考慮浮點DSP處理器。而浮點DSP處理器的價格比較高，開發(fā)難度更大。

為什么CCS需要安裝Driver？
CCS是開放的軟件平臺，它可以支持不同的硬件接口，因此不同的硬件接口必須通過標準的Driver同CCS連接。
Driver安裝的常見問題？
請認真閱讀“安裝手冊”和Driver盤中的Readme。 1)對于SEED-XDS，安裝Readme中的步驟，將I/O口設(shè)為240/280/320/340。 2)對于SEED-XDSPP，安裝Readme中的步驟，將I/O口設(shè)為378或278。3)對于SEED-XDSUSB，必須連接目標板，安裝Readme中的步驟，將I/O口設(shè)為A，USB連接后，主機將自動激活相應(yīng)的Driver。 4)對于SEED-XDSPCI，安裝Readme中的步驟，將I/O口設(shè)為240，PCI接口板插入主機后，主機將自動激活相應(yīng)的Driver。 5)對于Simulator，需要選擇不同的CFG文件，以模擬不同的DSP。 6)對于C5402 DSK，將I/O口設(shè)為請認真閱讀“安裝手冊”和Driver盤中的Readme。 1)對于SEED-XDS，安裝Readme中的步驟，將I/O口設(shè)為240/280/320/340。 2)對于SEED-XDSPP，安裝Readme中的步驟，將I/O口設(shè)為378或278。注意主機BIOS中并口的型式必須同xds510pp.ini中一致。 3)對于SEED-XDSUSB，必須連接目標板，安裝Readme中的步驟，將I/O口設(shè)為240/280/320/340，USB連接后，主機將自動激活相應(yīng)的Driver。 4)對于SEED-XDSPCI，安裝Readme中的步驟，將I/O口設(shè)為240/280/320/340，PCI接口板插入主機后，主機將自動激活相應(yīng)的Driver。 5)對于Simulator，需要選擇不同的CFG文件，以模擬不同的DSP。 6)對于C5402 DSK，將I/O口設(shè)為378或278。 7)對于C6211/6711 DSK，將I/O口設(shè)為378或278。 8)對于C6201/C6701 EVM，將I/O口設(shè)為0。

Link的cmd文件的作用是什么？
Link的cmd文件用于DSP代碼的定位。由于DSP的編譯器的編譯結(jié)果是未定位的，DSP沒有操作系統(tǒng)來定位執(zhí)行代碼，每個客戶設(shè)計的DSP系統(tǒng)的配置也不盡相同，因此需要用戶自己定義代碼的安裝位置。以C5000為例，基本格式為：
-o sample.out
-m sample.map
-stack 100
sample.obj meminit.obj
-l rts.lib
MEMORY {
PAGE 0: VECT: origin = 0xff80, length 0x80
PAGE 0: PROG: origin = 0x2000, length 0x400
PAGE 1: DATA: origin = 0x800, length 0x400
}
SECTIONS {
.vectors : {} >PROG PAGE 0
.text : {} >PROG PAGE 0
.data : {} >PROG PAGE 0
.cinit : {} >PROG PAGE 0
.bss : {} >DATA PAGE 1
}
如何將OUT文件轉(zhuǎn)換為16進制的文件格式？
DSP的開發(fā)軟件集成了一個程序，可以從執(zhí)行文件OUT轉(zhuǎn)換到編程器可以接受的格式，使得編程器可以用次文件燒寫EPROM或Flash。對于C2000的程序為DSPHEX；對于C3x程序為HEX30；對于C54x程序為HEX500；對于C55x程序為HEX55；對于C6x程序為Hex6x。以C32為例，基本格式為：
sample.out
-x
-memwidth 8
-bootorg 900000h
-iostrb 0h
-strb0 03f0000h
-strb1 01f0000h
-o sample.hex
ROMS {
EPROM: org = 0x900000,len=0x02000,romwidth=8
}
SECTIONS {
.text: paddr="boot"
.data: paddr="boot"
}