DSP入门知识

DSP入门知识

Digital Signal Processing 数字信号处理
作为一个案例研究，我们来考虑数字领域里最通常的功能：滤波。简单地说，滤波就是对信
号进行处理，以改善其特性。例如，滤波可以从信号里清除噪声或静电干扰，从而改善其信
噪比。为什么要用微处理器，而不是模拟器件来对信号做滤波呢？我们来看看其优越性：
模拟滤波器（或者更一般地说，模拟电路）的性能要取决于温度等环境因素。而数字滤波器
则基本上不受环境的影响。
数字滤波易于在非常小的宽容度内进行复制，因为其性能并不取决于性能已偏离正常值的器
件的组合。
一个模拟滤波器一旦制造出来，其特性（例如通带频率范围）是不容易改变的。使用微处理
器来实现数字滤波器，就可以通过对其重新编程来改变滤波的特性。
信号处理方式的比较
比较因素 模拟方式 数字方式
修改设计的灵活性 修改硬件设计，或调整硬件参数 改变软件设置
精度 元器件精度 A/D 的位数和计算机字长，算法
可靠性和可重复性 受环境温度、湿度、噪声、 不受这些因素的影响
电磁场等的干扰和影响大
大规模集成 尽管已有一些模拟集成电路， 但品种较少、集成度不高、价格较高DSP 器件
体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高
实时性 除开电路引入的延时外，处理是实时的 由计算机的处理速度决定
高频信号的处理 可以处理包括微波毫米波乃至光波信号 按照奈准则的要求，受S/H、A/D
和 处理速度的限制
Digital Signal Processor 数字信号处理器
微处理器（Microprocessor）的分类
通用处理器（GPP）
采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二而一
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 复杂指令计算机, RISC 精简指令计算机
采取各种方法提高计算速度，提高时钟频率，高速总线，多级Cashe，协处理器等
Single Chip Computer/ Micro Controller Unit（MCU）
除开通用CPU 所具有的ALU 和CU，还有存储器（RAM/ROM）寄存器，时钟，计数器，
定时器，串/并口，有的还有A/D，D/A
INTEL MCS/48/51/96（98）
MOTOROLA HCS05/011
DSP
采用哈佛结构，程序和数据分开存储
采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT 的专门优化
MCU 与DSP 的简单比较
MCU DSP
低档 高档 低档 高档
指令周期(ns) 600 40 50 5
乘加时间(ns) 1900 80 50 5
US$/MIPS 1.5 0.5 0.15 0.1
DSP 处理器与通用处理器的比较
考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击响应滤波器（FIR）。用数学语言来说，FIR 滤
波器是做一系列的点积。取一个输入量和一个序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作
乘法，然后将所有的乘积加起来，形成一个输出样本。
类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复发生，使得为此设计的器件必须提供专门的支
持，促成了了DSP 器件与通用处理器（GPP）的分流：
1 对密集的乘法运算的支持
GPP 不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做一
次乘法。而DSP 处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。DSP 处理器还增加了累加器寄
存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常比其他寄存器宽，增加称为结果bits 的额外
bits 来避免溢出。
同时，为了充分体现专门的乘法-累加硬件的好处，几乎所有的DSP 的指令集都包含有显式
的MAC 指令。
2 存储器结构
传统上，GPP 使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中，只有一个存储器空间通过一组总线
（一个地址总线和一个数据总线）连接到处理器核。通常，做一次乘法会发生4 次存储器访
问，用掉至少四个指令周期。
大多数DSP 采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。它们有两
组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍，
更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下，DSP 得以实现单周期的MAC
指令。
还有一个问题，即现在典型的高性能GPP 实际上已包含两个片内高速缓存，一个是数据，
一个是指令，它们直接连接到处理器核，以加快运行时的访问速度。从物理上说，这种片内
的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结构的一样了。然而从逻辑上说，两者还是有重要的区
别。
GPP 使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片内的高速缓存里，其程序员并不加以
指定（也可能根本不知道）。与此相反，DSP 使用多个片内存储器和多组总线来保证每个指
令周期内存储器的多次访问。在使用DSP 时，程序员要明确地控制哪些数据和指令要存储
在片内存储器中。程序员在写程序时，必须保证处理器能够有效地使用其双总线。
此外，DSP 处理器几乎都不具备数据高速缓存。这是因为DSP 的典型数据是数据流。也就
是说，DSP 处理器对每个数据样本做计算后，就丢弃了，几乎不再重复使用。
3 零开销循环
如果了解到DSP 算法的一个共同的特点，即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上，
也就容易理解，为什么大多数的DSP 都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环
是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将
循环计数器减1。
与此相反，GPP 的循环使用软件来实现。某些高性能的GPP 使用转移预报硬件，几乎达到
与硬件支持的零开销循环同样的效果。
4 定点计算
大多数DSP 使用定点计算，而不是使用浮点。虽然DSP 的应用必须十分注意数字的精确，
用浮点来做应该容易的多，但是对DSP 来说，廉价也是非常重要的。定点机器比起相应的
浮点机器来要便宜（而且更快）。为了不使用浮点机器而又保证数字的准确，DSP 处理器在
指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。
5 专门的寻址方式
DSP 处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。
例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对FFT 很有用）。
这些非常专门的寻址模式在GPP 中是不常使用的，只有用软件来实现。
6 执行时间的预测
大多数的DSP 应用（如蜂窝电话和调制解调器）都是严格的实时应用，所有的处理必须在
指定的时间内完成。这就要求程序员准确地确定每个样本需要多少处理时间，或者，至少要
知道，在最坏的情况下，需要多少时间。
如果打算用低成本的GPP 去完成实时信号处理的任务，执行时间的预测大概不会成为什么
问题，应为低成本GPP 具有相对直接的结构，比较容易预测执行时间。然而，大多数实时
DSP 应用所要求的处理能力是低成本GPP 所不能提供的。
这时候，DSP 对高性能GPP 的优势在于，即便是使用了高速缓存的DSP，哪些指令会放进
去也是由程序员（而不是处理器）来决定的，因此很容易判断指令是从高速缓存还是从存储
器中读取。DSP 一般不使用动态特性，如转移预测和推理执行等。因此，由一段给定的代
码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的。从而使程序员得以确定芯片的性能限制。
7 定点DSP指令集
定点DSP 指令集是按两个目标来设计的：
使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作，从而提高每个指令周期的计算效率。
将存贮DSP 程序的存储器空间减到最小（由于存储器对整个系统的成本影响甚大，该问题
在对成本敏感的DSP 应用中尤为重要）。
为了实现这些目标，DSP 处理器的指令集通常都允许程序员在一个指令内说明若干个并行
的操作。例如，在一条指令包含了MAC 操作，即同时的一个或两个数据移动。在典型的例
子里，一条指令就包含了计算FIR 滤波器的一节所需要的所有操作。这种高效率付出的代
价是，其指令集既不直观，也不容易使用（与GPP 的指令集相比）。
GPP 的程序通常并不在意处理器的指令集是否容易使用，因为他们一般使用象C 或C++等
高级语言。而对于DSP 的程序员来说，不幸的是主要的DSP 应用程序都是用汇编语言写的
（至少部分是汇编语言优化的）。这里有两个理由：首先，大多数广泛使用的高级语言，例
如C，并不适合于描述典型的DSP 算法。其次，DSP 结构的复杂性，如多存储器空间、多
总线、不规则的指令集、高度专门化的硬件等，使得难于为其编写高效率的编译器。
即便用编译器将C 源代码编译成为DSP 的汇编代码，优化的任务仍然很重。典型的DSP 应
用都具有大量计算的要求，并有严格的开销限制，使得程序的优化必不可少（至少是对程序
的最关键部分）。因此，考虑选用DSP 的一个关键因素是，是否存在足够的能够较好地适应
DSP 处理器指令集的程序员。
8 开发工具的要求
因为DSP 应用要求高度优化的代码，大多数DSP 厂商都提供一些开发工具，以帮助程序员
完成其优化工作。例如，大多数厂商都提供处理器的仿真工具，以准确地仿真每个指令周期
内处理器的活动。无论对于确保实时操作还是代码的优化，这些都是很有用的工具。
GPP 厂商通常并不提供这样的工具，主要是因为GPP 程序员通常并不需要详细到这一层的
信息。GPP 缺乏精确到指令周期的仿真工具，是DSP 应用开发者所面临的的大问题：由于
几乎不可能预测高性能GPP 对于给定任务所需要的周期数，从而无法说明如何去改善代码的性能。