BIT-RRL 1

数字信号处理器 DSPs发展趋势

北京理工大学雷达技术研究所高梅国

BIT-RRL 2

第一讲：概述

•数字信号处理技术的意义、内容•高速数字信号处理器的发展 •数字信号处理系统设计与开发

BIT-RRL 3

DSPs 的诞生

•数字信号处理理论的发展•微电子的发展•80 年代初期第一片数字信号处理芯

片诞生•1983 年 TMS32010 用于实时信号

处理

BIT-RRL 4

DSPs 的迅速发展

• 80 年代还属于少数人研究的数字信号处理（ DSP ），进入 90 年代，DSP 逐渐成为人们最常用的工程术语之一。 21 世纪， DSPs 无处不在。

•成本下降：消费市场•速度上升：满足各种需求

BIT-RRL 5

四大 DSPs 产商

• Texas Instruments （德州仪器）公司• Lucent Technologies （朗讯技术）公

司• Analog Devies （模拟设备）公司• Motorola （摩托罗拉）公司•大约还有 80 家 DSPs 产商

BIT-RRL 6

主流 DSP 列表

BIT-RRL 7

TI 公司 DSPs

BIT-RRL 8

TI 公司 DSPs

BIT-RRL 9

C6000 系列

BIT-RRL 10

高性能 DSPs器件名称

主频MHz

数据宽度、定 / 浮点

运行速度 片内RAM

1024 复数FFT 时间

C6701 167 32 、浮 1GFLOPS 64KB 138us

C6202 250 32 、定 2000MIPS 3Mbits 84us

C6203 300 32 、定 2400MIPS 7Mbits 70us

C6416 600 32 定，外 64 4800MIPS 8Mbits 10us

C64XX 1100 32 定，外 64 8800MIPS 6us

21060 40 32 、浮 120MFLOPS 4Mbits 500us

21160 100 32/40 浮 600MFLOPS 4Mbits 92us

TS001

M7410

150

500

32/80 浮40 浮点

900MFLOPS

4GFLOPS

6Mbits

64KB

69us

30us

BIT-RRL 11

DSPs 的特点

•信号处理的基本运算： –滤波、 DFT 、卷积

–点积，乘加

BIT-RRL 12

DSPs 的特点 •硬件乘法累加操作（ MACs ） •哈佛结构 •零消耗循环控制 •地址产生器和特殊寻址模式•多功能单元•片内存储器 •流水处理 •执行时间的可预测性 •具有丰富的外设 （ DSPs 具有 DMA 、串口、

Link 口、定时器等 ）

BIT-RRL 13

DSPs 的性能

•DSP 处理器的性能可分为三个档次：–低成本、低性能 DSPs （ ADSP-21xx ，

TMS320C2xx ， DSP560xx 等系列， 20 ～ 50MIPS ）–低能耗的中段 DSPs （ DSP16xx ， TM

S320C54x 系列， 100 ～ 150MIPS ）–多样化的高端 DSPs （ TMS320C6200 、

C6400 、 ADI 的 21160 、 Tiger SHARC 1000MIPS 以上）

BIT-RRL 14

DSPs 评估标准

•评价处理器性能的指标–速度–能耗–存储器容量

• 随着处理器技术的多样化，象 MIPS 这样的传统量度越来越不准确

• 用与信号处理相关的基准程序来测试评估DSP 处理器

•BDTI 公司已完成成套的核心标准测试程序

BIT-RRL 15

DSPs 评估

BIT-RRL 16

DSPs 评估标准•MIPS ：百万条指令 /秒– (Million Instruction Per Second)–按公式 S=J/(Ti×10-6) 计算，其中 Ti 为指令周期

（单位ns ）， J为每周期并行指令数 • MOPS ：百万次操作 /秒

– (Million Operation Per Second) • MFLOPS: 百万次浮点操作 /秒

– (Million Float Operation Per Second) • MBPS ：百万位 /秒

– (Million Bit Per Second)

BIT-RRL 17

现代 DSPs 的结构

•DSP 处理器的更高性能由于不能从传统结构中得到解决，因此提出了各种提高性能的策略。其中提高时钟频率似乎是有限的，最好的方法是改进 DSP 结构——提高并行性。

•提高每条指令执行的操作的数量 •提高每个指令周期中执行的指令的数量

BIT-RRL 18

现代 DSPs 的结构：增强型 DSP •使用额外的执行单元和增加数据通路•使用复杂的、混合的指令集 •缺点：结构复杂、指令复杂，进一步发展有限

•朗讯公司的 DSP16000 ， ADI 的 ADSP2116x

BIT-RRL 19

现代 DSPs 的结构： VLIW结构 •超长指令字结构（ Very Long Instruction Word）

•一条指令周期执行多条指令，指令包•RISC 化的指令集 •大的统一的寄存器堆 •优点：高性能、结构规整（潜在的易编程

和好的目标编译系统） •缺点：高功耗，代码膨胀 ，编译困难

BIT-RRL 20

现代 DSPs 的结构：超标量体系结构

•并行地流出和执行多个指令 •动态规划指令并行•用于高性能的通用处理器中，如 Pentium和 PowerPC

•DSP ： ZSP164xx •优点：性能有大的跨越、结构规整、代码

宽度没有明显增长•缺点：非常高的功耗、指令的动态安排使

代码优化困难

BIT-RRL 21

现代 DSPs 的结构： SIMD 结构 •单指令多数据流（ SIMD ）处理器把输入的长的数据分解为多个较短的数据，然后由单指令并行地操作，从而提高处理海量、可分解数据的能力

•适合于矢量、图像数据操作 •DSP16000 ， ADSP21160

BIT-RRL 22

现代 DSPs 的结构： DSP/微控制器的混合结构

• 在一个结上集成多种处理器，如 Motorola DSP5665x

• DSP 作为协处理器，如 ARM Piccolo• DSP 核移值到已有的位处理器，如 S

H－ DSP• 微控制器与已有的 DSP集成在一起，如 TMS320C27xx

BIT-RRL 23

现代 DSPs 的结构： DSPs 化现场可编程门阵列（ FPGAs ） •用户可定制 DSPs

•块组建 DSPs

•可编程整数 DSPs

• DSP＋ FPGA

BIT-RRL 24

DSP 处理器发展的趋势

•结构多样化•集成单片化用户化•开发工具更完善•评价体系更全面更专业•DSP 处理器将集成 DSP 处理器核，微

控制器，存储器 RAM 和 ROM ，串行口，模数转换器，数模转换器，用户定义数字电路，用户定义模拟电路等

BIT-RRL 25

GPPs 在 DSP 中的应用

•通用处理器 (GPPs) 借用了 DSPs 的许多结构优点，其浮点处理速度比高档 DSPs 还要快

•瞄准嵌入系统应用的高性能 GPPs 与 DSPs 进行混合，形成专用的嵌入 GPPs ，如Hitachi 的 SH-DSP ， ARM 的 Piccolo，Siemens 的 TriCore

•GPPs缺乏实时可预测性，优化 DSP 代码困难，有限的 DSP 工具支持，高功耗等