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一、DSP芯片的特點
DSP(Digital Signal Processing)即數字信號處理技術,DSP芯片即指能夠實現數字信號處理技術的芯片。DSP芯片的內部采用程序和數據分開的哈佛結構,具有專門的硬件乘法器,廣泛采用流水線操作,提供特殊的DSP指令,可以用來快速的實現各種數字信號處理算法。
DSP芯片是一種專門用于數字信號處理(DSP)的微處理器,其主要特點如下:
高效的信號處理能力:DSP芯片具有高效的數字信號處理能力,能夠快速高效地完成數字信號處理任務。
大規模的數據處理能力:DSP芯片可以同時處理多個數據流,因此具有大規模的數據處理能力,能夠支持多通道數據處理。
專用的指令集和硬件加速器:DSP芯片通常具有專門的指令集和硬件加速器,能夠高效地執行數字信號處理算法,提高處理速度。
高精度的運算和控制:DSP芯片能夠支持高精度的數字運算和控制,包括高速乘法器和高精度數值處理單元等。
易于開發和調試:DSP芯片通常具有友好的開發環境和調試工具,使得開發者可以輕松地開發和調試數字信號處理應用。
可編程性:DSP芯片具有可編程的特性,能夠根據不同的應用場景進行編程,使得其應用范圍更加廣泛。
(1) 在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法。
(2) 程序和數據空間分開,可以同時訪問指令和數據。
(3) 片內具有快速RAM,通常可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問。
(4) 具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬件支持。
(5) 快速的中斷處理和硬件I/O支持。
(6) 具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器。
(7) 可以并行執行多個操作。
(8) 支持流水線操作,使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。
與通用微處理器相比,DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。
綜上所述,DSP芯片具有高效的數字信號處理能力、大規模的數據處理能力、專用的指令集和硬件加速器、高精度的運算和控制、易于開發和調試以及可編程性等特點,因此被廣泛應用于音頻、視頻、圖像處理、通信、控制系統等領域。
二、DSP芯片需要考慮的3個方面
1、運算速度
首先我們要確定數字信號處理的算法,算法確定以后其運算量和完成時間也就大體確定了,根據運算量及其時間要求就可以估算DSP芯片運算速度的下限。在選擇DSP芯片時,各個芯片運算速度的衡量標準主要有:
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DSP芯片運算速度的衡量指標,應注意的是,廠家提供的該指標一般是指峰值指標,因此,系統設計時應留有一定的裕量。
MOPS(Millions of Operations Per Second),每秒執行百萬操作。這個指標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訪問數據傳輸、I/O操作等。一般說MOPS越高意味著乘積-累加和運算速度越快。MOPS可以對DSP芯片的性能進行綜合描述。
MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second),百萬次浮點操作/秒,這是衡量浮點DSP芯片的重要指標。例如TMS320C31在主頻為40MHz時,處理能力為40MFLOPS,TMS320C6701在指令周期為6ns時,單精度運算可達1GFLOPS。浮點操作包括浮點乘法、加法、減法、存儲等操作。應注意的是,廠家提供的該指標一般是指峰值指標,因此,系統設計時應注意留有一定的裕量。
MBPS(Million Bit Per Second),它是對總線和I/O口數據吞吐率的度量,也就是某個總線或I/O的帶寬。例如對TMS320C6XXX、200MHz時鐘、32bit總線時,總線數據吞吐率則為800Mbyte/s或6400MBPS。ACS(Multiply-Accumulates Per Second),例如TMS320C6XXX乘加速度達300MMACS~600MMACS。
指令周期,即執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,執行一次乘法和加法運算所花費的時間:大多數DSP芯片可以在一個指令周期內完成一次MAC運算。
FFT/FIR執行時間,運行一個N點FFT或N點FIR程序的運算時間。由于FFT運算/FIR運算是數字信號處理的一個典型算法,因此,該指標可以作為衡量芯片性能的綜合指標。
2、運算精度
一般情況下,浮點DSP芯片的運算精度要高于定點DSP芯片的運算精度,但是功耗和價格也隨之上升。一般定點DSP芯片的字長為16位、24位或者32位,浮點芯片的字長為32位。累加器一般都為32位或40位。
定點DSP的特點是主頻高、速度快、成本低、功耗小,主要用于計算復雜度不高的控制、通信、語音/圖像、消費電子產品等領域。通常可以用定點器件解決的問題,盡量用定點器件,因為它經濟、速度快、成本低,功耗小。但是在編程時要關注信號的動態范圍,在代碼中增加限制信號動態范圍的定標運算,雖然我們可以通過改進算法來提高運算精度,但是這樣做會相應增加程序的復雜度和運算量。浮點DSP的速度一般比定點DSP處理速度低,其成本和功耗都比定點DSP高,但是由于其采用了浮點數據格式,因而處理精度,動態范圍都遠高于定點DSP,適合于運算復雜度高,精度要求高的應用場合;即使是一般的應用,在對浮點DSP進行編程時,不必考慮數據溢出和精度不夠的問題,因而編程要比定點DSP方便、容易。因此說,運算精度要求是一個折衷的問題,需要根據經驗等來確定一個最佳的結合點。
3、字長的選擇
一般浮點DSP芯片都用32位的數據字,大多數定點DSP芯片是16位數據字。而Motorola公司定點芯片用24位數據字,以便在定點和浮點精度之間取得折衷。字長大小是影響成本的重要因素,它影響芯片的大小、引腳數以及存儲器的大小,設計時在滿足性能指標的條件下,盡可能選用最小的數據字。
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