DSP的30年

要點

1. DSP設(shè)計人員尋求優(yōu)化TI所稱的“三P價值”，即：性能、價格與功耗。

2. ADI設(shè)計人員了解其DSP所面向應(yīng)用的功率包絡(luò)。

3. Microchip對數(shù)字信號處理采用了一種替代方案：數(shù)字信號控制器。

4. 未來，可編程ASSP器件為TI的DaVinci這類器件提供了一種替代品，將面向某些市場中的FPGA。

如德州儀器(TI )公司首席研究員GeneFrantz所言，該公司DSP先驅(qū)的頓悟始于上世紀70年代末，恰好在TI公司創(chuàng)造性的Speak & Spell學(xué)習(xí)玩具放上零售貨架后不久。Frantz回憶那時有個顧客問：“如果你們可以用DSP給玩具加上語音合成，還能用它做別的什么嗎?”

當(dāng)今年TI公司慶祝在DSP市場的30周年時，這個長久以來的問題已經(jīng)過了無數(shù)次的解答。如果沒有DSP以及它在音頻、圖像和多媒體處理方面的推動作用，就不會有“信息娛樂”內(nèi)容，沒有智能手機或平板電腦，沒有互聯(lián)網(wǎng)，也沒有APP的生態(tài)系統(tǒng)。

TI的“玩具”技術(shù)不僅促使公司進入了一個新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，而且為TI、其競爭對手以及工具供應(yīng)商的開發(fā)建立了舞臺，推動DSP技術(shù)進入了各種應(yīng)用與市場。與此同時，傳統(tǒng)DSP器件遭遇了各種替代性信號處理平臺的競爭，包括有DSP特性的CPU、用微控制器與DSP核心配對使用的數(shù)字信號控制器、用于為數(shù)字信號處理設(shè)計定制的數(shù)據(jù)路徑，甚至創(chuàng)建定制可編程處理器的FPGA，以及最新出現(xiàn)的有大量并行處理的圖形處理器，它可以解決數(shù)據(jù)并行問題。

DSP技術(shù)的起源要比Speak & Spell玩具早幾年。在上世紀70年代初期，科學(xué)家們開始采用市售的現(xiàn)成TTL分立邏輯芯片，實現(xiàn)專門的信號處理“引擎”。早期系統(tǒng)相對速度緩慢，占用空間大。TRW公司在1973年發(fā)布了第一款實用的并行乘法器，并在兩年后增加了位片(bit-slice)ALU。但僅乘法器芯片就要數(shù)百美元，唯一能買得起這種產(chǎn)品的客戶只有研究實驗室、醫(yī)療掃描設(shè)備制造商及軍隊。

1978年，American Micro- systems公司推出了第一款專門為DSP設(shè)計的單芯片IC：12位的S2811。AMI發(fā)明了一種真正創(chuàng)新性電路設(shè)計，但其芯片實現(xiàn)時采用了一種激進的“V槽”(V groove)MOS技術(shù)，而這種技術(shù)從未用于量產(chǎn)的商業(yè)產(chǎn)品。

第二年，英特爾公司推出了Intel2920 16位“模擬信號處理器”，起這個名稱是因為英特爾要設(shè)計一種用于直接替換模擬電路的芯片，包括了板上的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。2920以數(shù)字形式處理模擬信號，但它缺少一個并行乘法器;此外，它600ns的周期速度太慢，無法在音頻段做出有用的工作，而音頻段是第一個大批量DSP芯片的市場。

第一只“真正”單芯片的DSP出現(xiàn)在上世紀80年代初，由貝爾實驗室和NEC推出， 市場分析公司Forward Concepts將其定義為并行MAC(乘法器-加法器)電路。貝爾實驗室的芯片叫DSP-1，是一種用于AT&T與Western Electric設(shè)計中的容性器件。NEC的μPD7720是第一種真正量產(chǎn)、在商業(yè)市場上發(fā)售的單芯片DSP。盡管受制于粗糙的開發(fā)工具，NEC的芯片仍然可提供充足的速度，它用一個雙周期MAC實現(xiàn)122ns的周期時間，能夠在音頻段做一些有用的工作。

80年代末，理光公司的HiromitsuYagi為傳統(tǒng)的NMOS工藝重新設(shè)計了原AMI的S2811芯片。Yagi的工作結(jié)果是理光RD28211和AMIS28211。

TI加入游戲

在80年代，TI公司的Ed Caudel設(shè)計了后來成為該公司第一款DSP的初始架構(gòu)。同年，Surendar Magar受雇圍繞DSP算法來優(yōu)化架構(gòu)。1982年2月，TI在傳統(tǒng)的“國際固態(tài)電路研討會”上以一篇《具有數(shù)字信號處理能力的一種微計算機》(參考文獻1)的論文將設(shè)計結(jié)果公諸于世。1982年4月，Caudel在巴黎召開的“音頻、語音與信號處理國際研討會”上宣布了最終產(chǎn)品—TMS32010。

推出Speak & Spell后，TI公司繼續(xù)為各種行業(yè)開發(fā)DSP器件，但業(yè)務(wù)的關(guān)鍵以及對市場增長起決定性作用的，還是圍繞處理器所出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)。業(yè)界最早的DSP工程師之一Frantz說：“TI成為第一家擁有一款復(fù)雜的信號處理芯片的公司，也理解到器件本身并非產(chǎn)品，產(chǎn)品是器件加支持加開發(fā)環(huán)境加一條器件熱線。我們?yōu)榭蛻魟?chuàng)造了一個產(chǎn)品，使他們可以將其用在自己的產(chǎn)品中。”

在早期年代，TI的DSP熱線是為客戶提供幫助的一個重要來源，尤其是很多情況下，回答電話問題的人正是被咨詢器件的架構(gòu)師。Frantz說：“TI有一些非常大的客戶，我們接到這些大客戶從不同地區(qū)打來的電話，有六到七個不同區(qū)號。我們發(fā)現(xiàn)自己比他們還清楚他們公司在做什么東西。我們盡自己所能幫助他們發(fā)展。”也有很多來自小型新興公司的電話，咨詢著相同的問題，而TI早在業(yè)內(nèi)成員順應(yīng)趨勢做出選擇以前， 就看到了正在形成的市場。Frantz指出，這以后幾年間，公司發(fā)明了下一代信號處理器，做出了客戶想要獲得的“瘋狂”東西。在此過程中，TI一直牢記“三P價值”，即：性能(performance)、價格(pr ice)以及功耗(power di s -sipation)。Frantz說：“大多數(shù)人并不明白功耗是多么重要，但我們自60年代中期就一直致力于小功率器件技術(shù)，當(dāng)時已經(jīng)發(fā)明了計算器。”初期，TI開始了它的第三方計劃，鼓勵有DSP專業(yè)能力的小型公司去“填充”TI無法照顧到的“空白”。Frantz將計劃描述為一個“價值網(wǎng)”，所有參與者都可以通過它獲得收益，同時擴展了現(xiàn)有的客戶支持網(wǎng)絡(luò)。

Fernando Mujica是TI系統(tǒng)架構(gòu)實驗室主任，是分析嵌入式處理方面的專家，他從Frantz這些DSP先鋒手中接過了接力棒。Mujica說：“過去30年來，我們生活中的方方面面幾乎都受到了DSP的影響?，F(xiàn)在，我們正看到DSP開始做嵌入分析工作，這是需要最高程度可編程性的一個不斷增長和發(fā)展的領(lǐng)域?，F(xiàn)在，信號調(diào)整與壓縮技術(shù)都實現(xiàn)為硬編碼的加速器，并與DSP整合在現(xiàn)代的嵌入式處理器中。”

今天的DSP和其它嵌入式處理器承擔(dān)了以往需要人工干預(yù)的工作。相關(guān)例子是拓展了汽車安全功能的范圍，包括偏離車道警告和主動巡航控制等，這些已出現(xiàn)在高檔汽車中。這些系統(tǒng)已超出了便利功能范疇，它們會向駕駛者提出警告，乃至在緊急情況下做剎車或轉(zhuǎn)向操作。

Mujica表示：“在不久的將來，嵌入分析解決方案將使自動化駕駛成為一種現(xiàn)實(圖2)。機器人是另外一個即將出現(xiàn)革命性變化的領(lǐng)域，因為嵌入式處理器的性能在增長，它們已能完成復(fù)雜的分析任務(wù)。”

小功率創(chuàng)新者

TI不是唯一一家在“三P價值”上推動DSP技術(shù)發(fā)展的公司。ADI公司以2001年開發(fā)的定點Blackfin處理器和90年代中期的浮點Sharc處理器，堅定不移地改進著功率/性能比。

隨著對處理精度的需求越來越高，設(shè)計者不斷地面臨著解決功率預(yù)算需求的難題。ADI公司處理器營銷總監(jiān)Colin Duggan以及Blackfin產(chǎn)品經(jīng)理Richard Murphy表示，ADI公司專注于現(xiàn)有功率的高效利用，從而獲得越來越緊湊的設(shè)計，可確保有更好的系統(tǒng)便攜性，占據(jù)最少空間，使得總體運行成本較低。他們指出，低功耗通常發(fā)熱低，有助于獲得更高的系統(tǒng)可靠性，減少了系統(tǒng)級與空間級的冷卻，從而節(jié)省了相關(guān)的功率、空間和成本。

對于電池供電設(shè)備，較低功率的處理器能延長系統(tǒng)電池的壽命和充電間隔，有助于減小系統(tǒng)尺寸和重量，保證了便攜能力。處理器功耗的下降也讓設(shè)計者可以使用較小的電池，最大限度地節(jié)省了功耗與空間。

剛剛發(fā)布的BF60x高性能系列以及前代Blackfin中都采用了DPM(動態(tài)電源管理)，開發(fā)人員可以將處理器功耗與程序執(zhí)行時的處理需求相匹配(圖3)。20 01年10月，ADI率先將DPM應(yīng)用于首款發(fā)布的Blackfin處理器中。小功率處理器延長了系統(tǒng)電池的壽命，有助于減小系統(tǒng)體積與重量。

Blackfin處理器中采用的其它設(shè)計技術(shù)包括：可編程電壓以及頻率縮放;時鐘周期分辨率的動態(tài)時鐘門控;多電源域，支持深度睡眠與冬眠模式;高代碼密度，盡量減少了激活總線的能量;采用混合閾值電壓晶體管，獲得了最佳性能與功率效率;一個最高能效的全定制處理器核心;審慎采用硬件加速器;以及支持亞穩(wěn)態(tài)SDRAM，使板級功耗降至最低。

在浮點方面，ADI仍牢記低功耗技術(shù)，設(shè)計出了最新的Sharc 2147x。該處理器有5Mbit片上內(nèi)存，設(shè)計者可以將功率存儲起來，以備擴展將數(shù)據(jù)移動到外存和其它處理器。該系列的集成內(nèi)存與并行處理特性能夠提高性能，確保算法和程序執(zhí)行得更快，從而得到了凈功耗下降的好處。

兩兩比較(均在的典型功耗)有助于ADI做出方案。在Sharc系列中，ADSP-21261在150MHz時功耗為900mW，200MHz時為1.2W;與之相比，最新的ADSP-2147x系列在150MHz時功耗180mW，在266MHz時功耗363mW。在Blackfin系列中，BF527在600MHz時的核心功耗為205mW，待機功耗為10mW，而冬眠模式耗電大約為40μA;最新的BF592在300MHz時提供88mW的動態(tài)功耗，待機功耗不到1mW，冬眠耗電為20μA。該公司最高性能的Blackfin BF609有兩個500MHz核心，在1GHz時耗電400mW。

Duggan和Murphy指出，ADI的節(jié)電特性提供了靈活的控制，更新的工藝尺度有更高的功率效率。他們補充說，該公司的設(shè)計者都了解其DSP所要滿足的應(yīng)用的功率包絡(luò)。

ADI的目標是，盡可能在應(yīng)用的一個特定功率包絡(luò)中獲得最高的性能。用戶可編程PLL，可調(diào)降自身系統(tǒng)時鐘的外設(shè)，以及當(dāng)某些外設(shè)不工作時關(guān)閉任何時鐘域的能力等，都可以節(jié)能。其它節(jié)能方案包括：采用高效的總線架構(gòu)，盡量增加設(shè)計中采用高閾值電壓晶體管的百分比(一般為93%)，以及使用PVP(流水線視覺處理器)做為加速器。

Microchip的DSC

Microchip Technology公司的數(shù)字信號處理采用了另一種方案：DSC(數(shù)字信號控制器)。第一款芯片是用一個DSP與一只8位微控制器配對。然后，Microchip的工程師在一個PIC微控制器中集成了一個DSP核心，這就是2002年面世的16位dsPIC(參考文獻5)。

可縮放的dsPIC解決方案提供了專利的微控制器式中斷處理，可用于實時控制，據(jù)Microchip稱，用DSP做實時控制一直面臨著挑戰(zhàn)(圖4)。DSC核心采用一種修改過的Harvard總線架構(gòu)，有16位寬的數(shù)據(jù)路徑和24位寬的指令路徑;廣泛尋址模式;一個16×16位的通用寄存器集;一個靈活的軟件棧;單周期16×16乘法功能;帶雙端口SRAM的DMAC(直接內(nèi)存訪問控制);以及八個外設(shè)通道。

DSC的運行速度從30MIPS到70MIPS，用于數(shù)字電源、照明、電機控制、語音、生物計量、傳感器處理以及簡單濾波器等市場。芯片包含了用于語音處理的DAC、電機控制PWM、快速ADC，以及專門用于SMPS(開關(guān)電源)應(yīng)用的ADC。Microchip公司稱這些器件具有高運放集成度，提供了微控制器般的“觀感”，設(shè)計者無需學(xué)習(xí)DSP設(shè)計或軟件就可以使用。

Microchip鼓勵從dsPIC到PIC24微控制器的無縫遷移，兩者的代碼與引腳兼容。同樣免費的MPLABX集成開發(fā)環(huán)境可用于Microchip的8位、16位與32位微控制器及其DSC。該公司稱其戰(zhàn)略是為工程師們提供簡單的解決方案，使應(yīng)用開發(fā)人員(如數(shù)字電源)能夠方便地使用模擬友好的高度集成dsPIC。

轉(zhuǎn)向FPGA

從傳統(tǒng)DSP轉(zhuǎn)向基于FPGA的DSP硬件，這個過程會涉及一組新的設(shè)計技巧，以及對硬件的新理解。對于剛開始使用FPGA或DSP的開發(fā)人員，這種轉(zhuǎn)換可能是一個相當(dāng)大的任務(wù)，它增加了設(shè)計日程的風(fēng)險。高級經(jīng)理Tom Hill為Xilinx編寫過一份白皮書《Xilinx DSP設(shè)計平臺：簡化FPGA在DSP中的使用》(參考文獻6)，其中給出了Xilinx的DSP開發(fā)套件設(shè)計思想，以簡化FPGA的采用，算法與硬件開發(fā)人員在用Xilinx器件開發(fā)DSP應(yīng)用時，能快速地進入狀態(tài)。

Hill指出，在90年代時，Xilinx設(shè)計了用于DSP處理的4000 系列FPGA?？蛻艉芸彀l(fā)現(xiàn)，他們可以用FPGA建立數(shù)字濾波器。大約1999年，時任Xilinx現(xiàn)場應(yīng)用工程師的Bruce Newgard認為公司有一個很大的機會，但管理層需要一些有說服力的東西，才同意在Xilinx內(nèi)部成立一個DSP部門。

2005年，Xilinx打造完成了一個DSP戰(zhàn)略，即與TI和MathWorks合作，為算法開發(fā)與設(shè)計實現(xiàn)引入FPGA/DSP協(xié)處理平臺和緊密集成的工具流。同一年，F(xiàn)orward Concepts估計，基于FPGA DSP解決方案的性能與靈活性可以應(yīng)付20億美元的高性能DSP市場。Xilinx初期的目標市場是高增長的數(shù)字通信、MVI(多媒體、視頻與影像)，以及防務(wù)系統(tǒng)。這些領(lǐng)域加起來，要占到80%以上的高性能DSP市場份額。

Xilinx與MathWorks合作開發(fā)了SystemGenerator，這是業(yè)界第一個針對Xilinx FPGA的DSP插件。今天，SystemGenerator for DSP是采用FPGA做高性能DSP系統(tǒng)設(shè)計的一款領(lǐng)先高級工具。

Xilinx 稱， 使用System Generator，沒什么FPGA設(shè)計經(jīng)驗的開發(fā)人員也可以快速地通過算法FPGA實現(xiàn)量產(chǎn)質(zhì)量的DSP，所花時間只有傳統(tǒng)RTL開發(fā)的幾分之一。工具提供了系統(tǒng)建模以及從MathWorks Simulink的自動代碼生成，并集成了RTL、嵌入、IP、Matlab，以及一個DSP系統(tǒng)的硬件。System Generator for DSP是XilinxDSP目標設(shè)計平臺(Targeted DesignPlatform)的一個關(guān)鍵部分。

Xilinx已轉(zhuǎn)換了自己的業(yè)務(wù)模型，從水平的FPGA供應(yīng)商，變成為垂直的應(yīng)用促進商，在不同的細分市場都有自己的業(yè)務(wù)。下一階段是由工具、IP、硅片和套件組成的面向算法的平臺。

Xilinx基于FPGA的DSP平臺現(xiàn)在可與真實世界的信號相連接，并有與高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接口。數(shù)據(jù)會以極高速率采樣，然后下變頻，以簡化DSP硬件實現(xiàn)。Hill指出，F(xiàn)PGA通常用于處理接口和下變頻的系統(tǒng)，但40%的情況下會與DSP器件一起使用。

一些用戶對于使用基于FPGA的DSP存在著一些疑問，如技術(shù)的易用性以及設(shè)計流程的障礙等，因此在2011年1月，Xilinx買下了AutoESL。雙方結(jié)合，就是2012年1月的XilinxAutoESL，它使設(shè)計者能更容易地快速用FPGA實現(xiàn)DSP系統(tǒng)，并提供了向下一代AutoESL技術(shù)的一種更平滑轉(zhuǎn)換，這就是Vivado High-Level Synthesis 2012.2(參考文獻7)。隨著Vivado設(shè)計套件的推出，VivadoHigh-Level Synthesis(高級綜合)能夠讓開發(fā)人員將C、C++和System C直接應(yīng)用于FPGA，而不需要手動創(chuàng)建RTL，從而加快了設(shè)計實現(xiàn)。

Hill指出，今天，如果你能用一只DSP做設(shè)計，客戶就會使用一只DSP;如果設(shè)計要求采用兩片或三片DSP，則FPGA就極有競爭力。對于高負荷的濾波，F(xiàn)PGA具有優(yōu)勢。FPGA能完成無線、雷達與軍用聲納對抗中的上/下變頻和數(shù)字預(yù)校正。醫(yī)療影像是另外一個重要領(lǐng)域，如有些CT掃描與擁有256個以上傳感器的超聲設(shè)備。

3 月份，Xilinx 推出了Zynq -7000，宣稱在一只器件上集成了“全部可編程的”SoC，它提供ASIC式的性能與功耗、FPGA的靈活性，以及微處理器的編程簡便性(圖5)。Zynq-7000生態(tài)系統(tǒng)包括硬件與軟件開發(fā)工具，以及操作系統(tǒng)。

Hill預(yù)測說，未來FPGA將是可編程ASSP的基礎(chǔ)，后者在某些市場領(lǐng)域上將替代TI公司DaVinci數(shù)字多媒體處理器這類器件。

不承認支持DSP算法與架構(gòu)開發(fā)的工具供應(yīng)商，就無從談起DSP的歷史。