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)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；

（7） 可以并行執(zhí)行多個操作； （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dsp應(yīng)用系統(tǒng)時， dsp芯片選型是非常重要的一個環(huán)節(jié)。在dsp系統(tǒng)硬件設(shè)計中只有選定了dsp芯片，才能進(jìn)一步設(shè)計其外圍電路及系統(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)時系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)流程如圖1所示。

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)算量和完成時間也就大體確定了，根據(jù)運(yùn)算量及其時間要求就可以估算dsp芯片運(yùn)算速度的下限。在選擇dsp芯片時，各個芯片運(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)計時應(yīng)留有一定的裕量。
mops(millions of operations per second)，每秒執(zhí)行百萬操作。這個指標(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，處理能力為40mflops，tms320c6701在指令周期為6ns時，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)計時應(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，也就是某個總線或i/o的帶寬。例如對tms320c6xxx、200mhz時鐘、32bit總線時，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時間，執(zhí)行一次乘法和加法運(yùn)算所花費(fèi)的時間：大多數(shù)dsp芯片可以在一個指令周期內(nèi)完成一次mac運(yùn)算。

fft/fir執(zhí)行時間，運(yùn)行一個n點(diǎn)fft或n點(diǎn)fir程序的運(yùn)算時間。由于fft運(yùn)算/fir運(yùn)算是數(shù)字信號處理的一個典型算法，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。

（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)計時在滿足性能指標(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)時運(yùn)行設(shè)計的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）價格及廠家的售后服務(wù)因素：價格包括dsp芯片的價格和開發(fā)工具的價格。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，確定一個價格適中的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，計算出轉(zhuǎn)子速度，再利用pi或pid等控制方法，實(shí)時調(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等個人計算機(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。

隨著我國自主研發(fā)的dsp芯片——“漢芯一號”在上海交大問世，標(biāo)志著我國在dsp芯片核心技術(shù)領(lǐng)域走出了關(guān)鍵的第一步。