基于算法的DSP硬件結(jié)構(gòu)分析

1引言

在當(dāng)前信息化、數(shù)字化進(jìn)程中，信號(hào)作為信息的傳輸和處理對(duì)象，逐漸由模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。信息化的基礎(chǔ)是數(shù)字化，而數(shù)字化的核心技術(shù)之一就是數(shù)字信號(hào)處理。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的并得到迅速發(fā)展的前沿技術(shù)。DSP作為一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，憑借其獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu)和出色的數(shù)字信號(hào)處理能力，廣泛應(yīng)用于通訊、語(yǔ)言識(shí)別、圖像處理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。

2 DSP算法的主要特點(diǎn)及其硬件要求

數(shù)字信號(hào)處理是指將模擬信號(hào)通過(guò)采樣進(jìn)行數(shù)字化后的信號(hào)進(jìn)行分析、處理、它側(cè)重于理論、算法及軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)處理算法具有如下一些主要的特點(diǎn)：

①信號(hào)處理算法運(yùn)算量大，要求速度快。不論是一維的語(yǔ)言信號(hào)，還是二維的圖像信號(hào)，一般算法的運(yùn)算量都很大，且算法的實(shí)現(xiàn)都必須實(shí)時(shí)。
②信號(hào)處理算法通常需要執(zhí)行大量的乘累加運(yùn)算。比如FIR濾波算法主要執(zhí)行的是一個(gè)點(diǎn)積運(yùn)算，也就是以乘、加為主的運(yùn)算。

③信號(hào)處理算法常具有某些特定模式。比較典型的數(shù)字濾波器中的連續(xù)推移位。

④信號(hào)處理算法大部分處理時(shí)間花在執(zhí)行相對(duì)小循環(huán)的操作上。

⑤信號(hào)處理要求專(zhuān)門(mén)的接口。一個(gè)非常重要的接口是把模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的ADC和DAC，另外大量的數(shù)據(jù)交換需要有高速的數(shù)據(jù)吞吐能力。

從一開(kāi)始，DSP的結(jié)構(gòu)就是針對(duì)DSP算法模型進(jìn)行構(gòu)造的，幾乎所有的DSP都包含有DSP算法的特征。因此，數(shù)字信號(hào)處理的上述特點(diǎn)要求DSP必須是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，典型DSP的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足數(shù)字信號(hào)處理的這樣一些要求：

①單周期快速運(yùn)算，允許任意計(jì)算次序。

②單周期內(nèi)能取兩個(gè)以上操作數(shù)，保證快速的乘累加運(yùn)算(MAC)。

③能產(chǎn)生信號(hào)處理算法需要的特殊尋址，如循環(huán)尋址和位翻轉(zhuǎn)尋址。

④有相應(yīng)的硬件循環(huán)緩沖區(qū)，能執(zhí)行零開(kāi)銷(xiāo)的循環(huán)和轉(zhuǎn)移操作。

⑤具有串口、DMA控制器、定時(shí)器等豐富的外設(shè)資源。

3 DSP的基本結(jié)構(gòu)組成

3.1 多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)

微處理器內(nèi)一般有兩種基本總線(xiàn)結(jié)構(gòu)：馮·諾曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。這兩種總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。馮·諾曼結(jié)構(gòu)取指令、取數(shù)據(jù)都是通過(guò)同一總線(xiàn)完成。因此必須分時(shí)進(jìn)行，在高速運(yùn)算時(shí)，往往在傳輸通道上出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。而DSP內(nèi)部采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，它在片內(nèi)至少有四套總線(xiàn)：程序的數(shù)據(jù)總線(xiàn)、程序的地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和數(shù)據(jù)的地址總線(xiàn)。這種分離的程序總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，可允許同時(shí)獲取來(lái)自程序存儲(chǔ)器的指令字和來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作數(shù)，互不干擾。有的DSP片內(nèi)還包括有其他總線(xiàn)，如DMA總線(xiàn)等，可在單周期內(nèi)完成更多的工作。


3.2 流水線(xiàn)

與哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu)相關(guān)， DSP廣泛采用流水線(xiàn)以減少指令執(zhí)行時(shí)間，從而增加了處理器的處理能力。要執(zhí)行一條DSP指令，需要通過(guò)取指、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行等幾個(gè)階段，DSP的流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)是指它的這幾個(gè)階段在程序執(zhí)行過(guò)程中是重疊進(jìn)行的，即在對(duì)本條指令取指的同時(shí)，前面的三條指令已依次完成譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行的操作。正是利用這種流水線(xiàn)機(jī)制，保證DSP的乘法、加法以及乘累加可以在單周期內(nèi)完成，這對(duì)提高DSP的運(yùn)算速度具有重要意義，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)的算法需要連續(xù)的乘累加運(yùn)算時(shí)。


3.3 硬件乘法器


專(zhuān)用的硬件乘法器是DSP的特征之一，硬件乘法器的功能是在單周期內(nèi)完成一次乘法運(yùn)算。 DSP內(nèi)還增加了累加器寄存器來(lái)處理多個(gè)乘積的和，而且該寄存器通常比其他寄存器寬，這樣保證乘累加運(yùn)算結(jié)果不至于發(fā)生溢出。 


3.4 多處理單元


DSP內(nèi)部一般都包括多個(gè)處理單元，如ALU、乘法器、輔助算術(shù)單元等。它們都可在單獨(dú)的一個(gè)指令周期內(nèi)執(zhí)行完計(jì)算和操作任務(wù)，而且往往同時(shí)完成。這種結(jié)構(gòu)特別適合于濾波器的設(shè)計(jì)，如FIR和IIR。這種多處理單元結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)為在將一些特殊的算法作成硬件，如典型的FFT的位翻轉(zhuǎn)尋址和流水FIR濾波算法的循環(huán)尋址等。而且大部分DSP具有零消耗循環(huán)控制的專(zhuān)門(mén)硬件，使得處理器不用花時(shí)間測(cè)試循環(huán)計(jì)數(shù)器的值就能執(zhí)行一組指令的循環(huán)，硬件完成循環(huán)跳轉(zhuǎn)和循環(huán)計(jì)數(shù)器的衰減。


3.5 外圍設(shè)備


DSP片內(nèi)通常具有DMA控制器、串行口、定時(shí)器等外設(shè)，所以用戶(hù)通常只需要外加很少的器件就可以構(gòu)成自己的DSP系統(tǒng)。DMA控制器可以在不干擾CPU操作的前提下，由其專(zhuān)用的數(shù)據(jù)存取通道獨(dú)立完成接口到片內(nèi)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而形成片內(nèi)的高速數(shù)據(jù)通道。大多數(shù)DSP還支持IEEE1149．1標(biāo)準(zhǔn)，用戶(hù)通過(guò)JTAG端口可對(duì)DSP進(jìn)行在線(xiàn)
實(shí)時(shí)仿真。

4 當(dāng)前主流DSP的體系結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，DSP不斷推陳出新，其硬件結(jié)構(gòu)也有了很大的改進(jìn)和提高。DSP體系結(jié)構(gòu)的革新在很大程度上受到應(yīng)用需求的影響，其指令集的設(shè)計(jì)是面向存儲(chǔ)器和數(shù)字信號(hào)處理算法來(lái)進(jìn)行性能優(yōu)化的。當(dāng)前高性能DSP結(jié)構(gòu)的主在特點(diǎn)就是采用了各種并行處理技術(shù)，它可由兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：一種途徑是基于VLIW、類(lèi)RISC指令集等技術(shù)來(lái)增加單時(shí)鐘周期并發(fā)的指令數(shù)；另一種途徑是通過(guò)SIMD、增大總線(xiàn)字長(zhǎng)或增加指令字的長(zhǎng)度等技術(shù)來(lái)增加單指令周期并行執(zhí)行的處理單元個(gè)數(shù)。


4．1 VLIW結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)


TI公司TMS320C6X系列DSP就是采用了VLIW的體系結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在VLIW處理器的硬件上，各功能單元共用大型寄存器堆，由功能單元同時(shí)執(zhí)行的各種操作是由VLIW的長(zhǎng)指令來(lái)同步，它把長(zhǎng)指令中不同字段的操作碼分送給不同的功能單元。相對(duì)于傳統(tǒng)型DSP，VLIW處理器使用簡(jiǎn)單的指令集，一條指令只完成一個(gè)操作。這個(gè)處理器將簡(jiǎn)單指令并行地發(fā)射出去，并同時(shí)執(zhí)行，有這樣的多條指令構(gòu)成一個(gè)超長(zhǎng)指令字。由于使用了簡(jiǎn)單指令集后，簡(jiǎn)化了譯碼和執(zhí)行操作。


VLIW技術(shù)極大地提高DSP的性能，但它也有缺點(diǎn)。由于它的指令字長(zhǎng)增加了，所以它較大地增加了程序存儲(chǔ)器的占用空間，使得DSP的成本隨之增加。同時(shí)為了支持多個(gè)并行指令的執(zhí)行，這種結(jié)構(gòu)的DSP要求有龐大的調(diào)整寄存器堆。


4.2 SIMD結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)


SIMD處理器把輸入的長(zhǎng)數(shù)據(jù)分解為多個(gè)較短的數(shù)據(jù)，然后由單指令并行地操作。它在目前一些高性能的DSP得到了應(yīng)用，如AD公司的ADSP21160系列DSP，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)內(nèi)有兩套包括ALU、桶形移位器、乘法器和寄存器堆等功能部件的運(yùn)算單元，可在單周期內(nèi)對(duì)不同的操作數(shù)執(zhí)行兩個(gè)及以上的乘法操作。SIMD使總線(xiàn)、數(shù)據(jù)通道等資源充分
利用，并無(wú)需改變信號(hào)處理的基本結(jié)構(gòu)。但是，這種結(jié)構(gòu)只有處理并行算法時(shí)才是高效的。對(duì)于那種算法中的結(jié)果作為下一操作輸入的串行算法，SIMD處理器通常不使用。

5 DSP結(jié)構(gòu)改進(jìn)的思考

過(guò)去的DSP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是面向計(jì)算密集型的應(yīng)用，而對(duì)控制密集型支持得不夠。而現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中很多場(chǎng)合需要信號(hào)處理和精確控制的有效結(jié)合，如數(shù)字蜂窩電話(huà)，它要有監(jiān)控和語(yǔ)言音處理的工作?，F(xiàn)代的DSP將采用DSP／MCU的混合結(jié)構(gòu)，在保證計(jì)算能力優(yōu)先的前提下，通過(guò)快速的現(xiàn)場(chǎng)切換、多執(zhí)行部件并行執(zhí)行等方式，加強(qiáng)控制類(lèi)操作的處理能力。將MCU核集成到DSP核中，或者從整體上對(duì)DSP進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使之兼有DSP和MCU的功能。


另外，為解決速度、功耗、可編程之間的矛盾，我們提出了一種新型的計(jì)算方式，它結(jié)合了現(xiàn)有微處理器和DSP的時(shí)間計(jì)算方式以及ASIC、FPGA解決方案的空間計(jì)算方式。這種可重構(gòu)DSP處理器的關(guān)鍵是它能同時(shí)進(jìn)行時(shí)間和空間計(jì)算。它由一個(gè)計(jì)算元件互相連接的二維陣列構(gòu)成，每個(gè)陣列都有各自的邏輯單元和本地寄存器。連接這些計(jì)算元件的可編程連線(xiàn)借以對(duì)陣列的數(shù)據(jù)流架構(gòu)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，從而可根據(jù)運(yùn)行的具體任務(wù)而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。由于可重構(gòu)計(jì)算使開(kāi)發(fā)人員可對(duì)其軟硬件加以控制，因此這些編譯器將在需要運(yùn)行的DSP的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)真正的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。