DSP軟件向桌面和嵌入式系統(tǒng)挑戰(zhàn)

　　90年代早期，嵌入式系統(tǒng)和桌面應用的開發(fā)人員曾面臨相似的問題。當時為提高設計效率而采用的方法現(xiàn)在仍可借鑒使用。一個短期的解決方案是由編程人員自己解決這一問題。但是，編程人員相對短缺，而且DSP領域編程人員更為緊缺。在DSP開發(fā)時，可以考慮采用非DSP專業(yè)的編程人員，但這些人員一般傾向于使用桌面和嵌入式應用的開發(fā)工具。而DSP開發(fā)領域還沒有類似的工具，這就阻礙了DSP應用的進一步推廣。

　　開發(fā)相似，實質不同

　　即使采用了上述的開發(fā)工具，DSP還具有不同于RISC和CISC的獨特特征。DSP處理能力不僅靠越來越快的時鐘速率來實現(xiàn)，而且還依賴于并行處理結構的進一步采用。早期的DSP僅含有單個多路器和累加器，由哈佛結構以及一些控制寄存器環(huán)路組成。而目前的DSP處理器通常采用多個執(zhí)行單元，每個執(zhí)行單元都由算數(shù)邏輯運算單元（ALU），一個多路器和累加器組成，而且這些執(zhí)行單元可以并行執(zhí)行。

　　美國I.C.Com 公司在與西門子半導體公司的合作中，開發(fā)出了Carmel DSP，它通過一個非常類似C的匯編語言來解決DSP開發(fā)面臨的上述瓶頸問題。

　　I.C.Com公司VLSI設計副總裁Amnon Rom說：“我們的目的是使我們的匯編語言Carmel盡可能地接近C語言。對DSP開發(fā)來說，減少開發(fā)過程中從浮點算法轉換到固定點算法，然后再到匯編語言程序所需的時間非常重要。通過將匯編語言與之一一對應，從而減去了從C語言到匯編語言的開發(fā)步驟?！?

　　友好易用的硬件系統(tǒng)

　　美國ZSP公司采用易于編譯的硬件系統(tǒng)來解決DSP開發(fā)中面臨的這一問題。其硬件系統(tǒng)包含一個正交指令集，一個透

　　ZSP公司提供一套完整的軟件開發(fā)工具，讓編程人員管理復雜的DSP編程任務?？梢酝ㄟ^命令行直接調用這一工具，或者通過使用Premia的Codewright編輯器。Codewright是一個開發(fā)工作平臺，通過它可啟動其他應用程序。ZSP就是采用該平臺來管理其Gnu編譯器、匯編器、鏈接器、仿真器以及調試工具。

　　Codewright開發(fā)環(huán)境進一步擴展，包括了設計項目目錄管理功能，對項目可執(zhí)行程序的生成進行參數(shù)調整。針對基本的DSP軟件開發(fā)，ZSP公司提供了一個完整的解決方案。

　　美國TI公司認為DSP未來的發(fā)展在于軟件，并已經(jīng)開始著手兩項開發(fā)。首先，它將Code Composer IDE的功能與DSP/BIOS和RTDX驅動程序進行集成，組成綜合開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio。這是TI將其收購的GoDSP公司Code Composer DSP調試工具與Spectron的低檔DSP操作系統(tǒng)進行統(tǒng)一集成的結果。其次，它建立了DSP軟件模塊的標準接口，以便更好地重新利用現(xiàn)有的實現(xiàn)了的DSP算法。

　　TI公司認為，通過將一個匯編語言優(yōu)化器集成到其Code Composer開發(fā)環(huán)境，從而減少了對匯編語言的需要。據(jù)稱該工具產(chǎn)生的編碼的效率可達到手工調試的匯編語言的80。

　　對DSP開發(fā)，每個MIP和存儲器字非常珍貴，對這一資源的任何浪費都會影響項目的進展，使之難以完成。但為了提高軟件開發(fā)效率，也必須犧牲一些MIP和存儲器為了更好地開發(fā)

　　對DSP開發(fā)，每個MIP和存儲器字（Word）非常珍貴，對這一資源的任何浪費都會影響項目的進展，使之難以完成。但為了提高軟件開發(fā)效率，也必須犧牲一些MIP和存儲器。這些MIP和存儲器資源是用在DSP內(nèi)訪問程序和數(shù)據(jù)轉換方面，訪問程序將DSP算法的內(nèi)部表達方式轉換成共用的方式，以便進行通信。

　　TI公司提出的軟件標準包含兩個方面，一是處理目標硬件與主機的接口，另一方面處理內(nèi)部的API（應用程序接口）集，以提供DSP軟件模塊間的通信。在主機一側，是Active X程序集，用來處理與目標硬件間的通信，并模擬目標器件的行為。這里主機接口包括以下四個主組：項目服務器，編輯服務器，圖象服務器和調試服務器。其中調試服務器用來建立和維持與目標硬件間的通信。在目標硬件一側，鏈接依賴于RTDX和DSP BIOS。

Blue Wave Systems的產(chǎn)品經(jīng)理Nick Keeling對Code Composer Studio表示很大的興趣，他說，通過這一產(chǎn)品，可以看到DSP軟件開發(fā)步入成熟。這一進程是TI與其第三方DSP板級開發(fā)商共同合作的結果，從Code Composer Studio開發(fā)的初期，第三方板級開發(fā)商就積極地參與了進來。而這一參與使第三方廠商有能力對Code Composer Studio的功能開展進一步開發(fā)。 

　　Blue Wave Systems公司正對Code Composer Studio進行改進，使它能自動識別與之相連的任何電路板，包括讀取電路板上的配置信息，以及識別安裝在電路板上的驅動程序類型。該公司可提供這種電路板和改進后的具備自動識別功能的Code Composer Studio開發(fā)環(huán)境。 

　　Analog Devices公司的Visual DSP工具集與TI公司的Code Composer類似，但不包括主機與目標硬件的鏈接。該工具支持其全部SHARC DSP系列產(chǎn)品。 

　　Visual DSP是集成了IDE和調試器的一個項目管理工具。原碼調試工作可在一個C語言和匯編語言的混合環(huán)境中完成。同時調試工作可通過一個硬件仿真器在主機上進行，也可直接在目標硬件上實現(xiàn)。 

　　目標器件接口數(shù)據(jù)流可通過中斷的隨機組合來仿真。并可在指定的地址范圍內(nèi)和地址范圍外設置觀測點進行檢查。這種功能使開發(fā)人員能更好地處理堆棧資源的下溢和上溢。 

　　DSP：數(shù)字化時代的驕子 

　　在即將告別20世紀 、步入21世紀的世紀之交的時刻，讓我們首先回顧一下國際上電子工業(yè)最近30年來發(fā)展的歷程：  
70年代的電子工業(yè)以消費電子為主，代表性的產(chǎn)品是錄像機、攝像機、彩電，主要的生產(chǎn)廠商是日本的Sony、JVC、荷蘭的Philips等家電廠商，依靠的是大規(guī)模生產(chǎn)和優(yōu)秀的質量。80年代是計算機時代，代表性的產(chǎn)品是PC機、硬盤驅動器、打印機，主要生產(chǎn)廠商是美國的Intel、IBM、Microsoft、Compaq等公司。90年代起是信息時代，代表性的產(chǎn)品是個人通信網(wǎng)、網(wǎng)絡接入設備、數(shù)字化消費類電子產(chǎn)品，主要生產(chǎn)廠商目前尚難確定，處于戰(zhàn)國七雄爭霸時代，主要獲勝的戰(zhàn)略之一是以DSP為核心的技術及其創(chuàng)新產(chǎn)品。 

　　DSP可以代表數(shù)字信號處理技術，也可以代表數(shù)字信號處理器，其實兩者是不可分割的，前者是理論上的技術，要通過后者變成實際產(chǎn)品。兩者結合起來就成為解決某一實際問題和實現(xiàn)某一方案的手段——數(shù)字信號處理解決方案（DSPS）。 

　　DSPS正在改變我們生活方式的各個方面，例如人們之間的聯(lián)系方式正由電話轉向個人通信方式。人類從電話發(fā)明到5千萬電話用戶數(shù)花了70年時間，模擬蜂窩電話達到5千萬用戶花了14年，而數(shù)字蜂窩電話（GSM是其中之一）只花了5年就達到相同的用戶數(shù)。 

　　再如我們的娛樂方式，VCD、DVD正替代VHS錄像機，數(shù)字電視機開始替代模擬的NTSC或PAL制電視機。家庭影院主要由數(shù)字化A/V設備組成，DSP不僅給你環(huán)繞聲，還為你虛擬各種現(xiàn)場效果。 

　　DSP日益進入人們的生活，所以DSP芯片的年增長率超過50，在最近幾年整個半導體產(chǎn)量下降的情況下，唯有DSP芯片保持高速增長的勢頭。 

　　DSP的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)是CPU速度的急速增快和價格的持續(xù)下降，使DSP制造商面臨兩種選擇，一種是加快DSP的發(fā)展，另一種是退出競爭?？磥碇饕腄SP制造商都選擇了第一種路線，尤其是占全球DSP銷售份額45的美國TI公司在對公司的產(chǎn)品進行結構性調整的基礎上，以多元化投資轉到單一化投資，確立以DSPS為主要發(fā)展的產(chǎn)品，即集所有技術、所有產(chǎn)品于DSP。 

　　TI公司在原來已被人們熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基礎上發(fā)展了三種新的DSP系列，它們是：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列，成為當前和未來相當長時期內(nèi)TI DSP的主流產(chǎn)品，前面提到的那些老型號產(chǎn)品均將被這三種新系列產(chǎn)品替代。從今年開始，’C1X、’C25、C5X、C8X的價格每年都會上調，今年提升了10。而’C2000、’C5000和’C6000三種新系列芯片的價格會逐年作較大幅度的下調，因此無論從價格還是技術支持或是從產(chǎn)品開發(fā)的連續(xù)性出發(fā)，建議大家盡量采用新的DSP系列，在進行教學、培訓時也應介紹這三種新的系列。 

　　三種新型TMS320 DSP系列的特點 

　　1.TMS320C2000——作控制用的最佳DSP，可以替代老的’C1X和’C2X?，F(xiàn)在有趨勢集中在以下兩個方向上： 

　?。?）C20X 16位定點DSP，速度為20MIPS，主要用途是電話、數(shù)字相機、售貨機等，其中：’F206帶有閃速存儲器，售價從5～17美元。 


　?。?）C24X 16位定點DSP，速度為20MIPS，用作數(shù)字馬達控制、工業(yè)自動化、電力轉換系統(tǒng)、空調等，售價從4～18美元。 

2.TMS320C5000——低功耗高性能DSP，16位定點，速度40～200MIPS。主要用途是有線和無線通信、IP、便攜式信息系統(tǒng)、尋呼機、助聽器等。價格5～75美元。 

　　目前，C5000系列中又有三種新成員，一種是’C5402，這是廉價型的DSP，目標價格是每片5美元（50K批量），速度保持100MIPS，片內(nèi)存儲空間稍小一些，RAM為16K、ROM為4K。主要應用對象是無線Modem、新一代PDA、網(wǎng)絡電話和其它電話系統(tǒng)以及消費類電子產(chǎn)品。 

　　第二種是C5420，它擁有兩個DSP核，速度達到200MIPS，200K片內(nèi)RAM，功耗0.32mA/MIPS，200MIPS全速工作時不超過120mW，為業(yè)內(nèi)功耗最低的DSP?！疌5420是當今集成度最高的定點DSP，適合于做多通道基站、服務器、Modem和電話系統(tǒng)等要求高性能、低功耗、小尺寸的場合  
。 

　　第三種是C5416，它是TI公司0.15μm器件中的第一款，速度為160MIPS，有三個多通道緩沖串行口（McBSPs），能夠直接與T1或E1線路聯(lián)接，不需要外部邏輯電路，有128K片內(nèi)RAM。應用對象是VoIP、通信服務器、PBX（專用小交換機）和計算機電話系統(tǒng)等。 

　　3.TMS320C6000——這是TI公司1997年2月推向市場的高性能DSP，綜合了目前DSP的所有優(yōu)點，具有最佳的性價比和低功耗?！疌6000系列中又分成定點和浮點兩類。 

　?。?）’C62XX 16位定點DSP，速度為1200～2000MIPS，用于無線基站、ADSL Modem、網(wǎng)絡系統(tǒng)、中心局交換機、數(shù)字音頻廣播設備等，價格為21～224美元。 

　?。?）’C67XX 32位浮點DSP，速度為1Gflops，用于基站數(shù)字波束形成、醫(yī)學圖像處理、語音識別、3-D圖形等，價格109～233美元。 

　　C6000在向兩個方向發(fā)展，一是追求更高的性能，二是在保持高性能的同時向廉價型發(fā)展。前者如定點’C6202可以達到2000MIPS的速度，后者如定點’C6211只有25美元、浮點的’C6711僅售20美元。 

　　在老的TI DSP系列中，浮點’C30還是TI公司主推的產(chǎn)品，因此它的售價不像其它老系列每年都要提升。TI公司還在對這個型號作性能改進和制造廉價型，如新近推出的’C33采用0.18μm制造工藝，有1M RAM，速度為120Mflops，為老產(chǎn)品的兩倍，而價格僅5美元。速度更高的150Mflops為8美元?！疌33與其它’C3X器件代碼兼容，所以用戶可以保護其軟件環(huán)境，在他們換用新器件時還可以減少開發(fā)時間。 

　　DSP為電子業(yè)創(chuàng)造新的機遇 

　　上面所介紹的TI公司的新一代DSP已經(jīng)替代80年代和90年代初的老一代產(chǎn)品，在電子信息產(chǎn)業(yè)方面獲得了廣泛的應用。’C2000系列已用于數(shù)字馬達控制、數(shù)字照相機、PC照相機；’C5000系列用于蜂窩網(wǎng)手機、程控交換；’C6000系列用于基站、ADSL、V.90 56K Modem。 

　　有數(shù)百家直接依靠TI的DSP而成立的公司，稱為TI的第三方（Their Party），它們有做DSP開發(fā)工具的，有從事DSP硬件平臺開發(fā)的，有從事DSP應用軟件開發(fā)的。這些公司基本上是80年代末，90年代初才創(chuàng)建的，開始時往往只有幾個人，經(jīng)過5年、10年現(xiàn)在均發(fā)展到具有相當規(guī)模。如D2 Technologies、DSP Research、DSP Tools、Dialogic、GD DSP、HotHaus、Micro LAB Systems、PenTek、Seed、Spectrum Digital、Spectrum Signal Processing、White Mountain DSP等公司，在DSP開發(fā)工具、應用軟件、DSP平臺方面都很有成就。 

　　相對國外DSP的應用開發(fā)和第三方公司的情況，我國國內(nèi)差距相當大，知道使用DSP的單位不多，這些單位中大多數(shù)還在使用’C25，’C5X。DSP工具開發(fā)已經(jīng)起步，但也只有聞亭和合眾達兩家，而專門從事DSP硬件平臺和應用軟件開發(fā)的單位和公司還沒有，“第三方”在中國基本上是空白。 

　　上海交通大學在1997年初與TI公司聯(lián)合成立了DSP技術中心，除在本科生和研究生中進行新一代DSP的教學外，還盡一切努力開展DSP的應用研究，研究的目標完全放在新產(chǎn)品的開發(fā)方面。我們（指上海交大，以下皆同）組成了一支包括教師、研究生在內(nèi)的三十余人的DSP應用R&D隊伍，配備有TI公司提供的最新DSP開發(fā)工具和齊全的資料，并獲得上海市科委的支持，設立了上海數(shù)字技術中心。 

目前我們已經(jīng)和正在進行研究和開發(fā)的項目主要分成以下三類： 

　　1. 語音編碼及其相關產(chǎn)品 在所有的通信系統(tǒng)中，語音通信仍然是最基本的通信方式，也是應用最普遍的。ITU制訂了許多語音壓縮標準，我們已經(jīng)做出來的有用’C542實現(xiàn)的G.728、G.723、GSM06.10，正在進行的有G.722、G.726、G.729、FS1016等。 

　　在此基礎上正在研制多通道電話記錄儀。用自制的’C542電話壓縮卡，將一張電話卡的數(shù)碼率從64kbps降到13kbps，語音質量MOS（平均判分）為3.7，而國內(nèi)使用最普遍的語音卡采用ADPCM算法，32kbps時才有相同的音質，號稱能用到16kbps，但音質僅為2分。我們每張卡可同時壓縮8路電話，一臺PC機可插4張卡，同時壓縮32路電話。 

　　另一個正在開發(fā)的是數(shù)字電話擴容系統(tǒng)（DCME），采用’C6201DSP和ITU-G.728語音壓縮算法、將E1的每路64kbps電話壓縮到16kbps，壓縮4倍，這樣可將30路的E1擴容至120路的  
E2系統(tǒng)。 

　　2. Hi-Fi音頻壓縮及相關產(chǎn)品 最近幾年VCD、DVD、MD、DAB、DVB等數(shù)字音視頻產(chǎn)品萬紫千紅，在這些數(shù)字化新家電中，DSP最起作用的地方是Hi-Fi的音頻處理，我們已對MPEG音頻Layer2、Layer3、MPEG-2 AAC、Dolby AC-3等用C語言仿真研究，在此基礎上用’C549實現(xiàn)了MP3解碼器的初樣。正在用’C6201和’C6701分別實現(xiàn)MP3編碼器和MPEG-2 AAC編解碼器。MPEG-2 AAC重建的音質超過MP3和AC-3將成為21世紀直播衛(wèi)星、地面DAB和SW、MW、AM廣播數(shù)字化的首選標準。 

　　3. 圖象壓縮及相關產(chǎn)品 完成用’C542實現(xiàn)的脫機的便攜式彩色靜止圖像傳輸系統(tǒng)，分辨率有576