DSP芯片的介绍和选型

引言DSP芯片也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器具，其主机应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。

根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：（1）在一个指令周期可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3）片具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；（6）具有在单周期操作的多个硬件地址产生器；（7）可以并行执行多个操作；（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

在我们设计DSP应用系统时，DSP芯片选型是非常重要的一个环节。

在DSP系统硬件设计中只有选定了DSP芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。

因此说，DSP芯片的选择应根据应用系统的实际需要而确定，做到既能满足使用要求，又不浪费资源，从而也达到成本最小化的目的。

DSP实时系统设计和开发流程如图1所示。

主要DSP芯片厂商及其产品仪器公司众所周知，美国仪器（Texas Instruments，TI）是世界上最知名的DSP芯片生产厂商，其产品应用也最广泛，TI公司生产的TMS320系列DSP芯片广泛应用于各个领域。

TI公司在1982年成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010，这是DSP应用历史上的一个里程碑，从此，DSP芯片开始得到真正的广泛应用。

由于TMS320系列DSP芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所以逐渐成为目前最有影响、最为成功的DSP系列处理器。

目前，TI公司在市场上主要有三大系列产品：（1）面向数字控制、运动控制的TMS320C2000系列，主要包括TMS320C24x/F24x、TMS320LC240x/LF240x、TMS320C24xA/LF240xA、TMS320C28xx等。

（2）面向低功耗、手持设备、无线终端应用的TMS320C5000系列，主要包括TMS320C54x、TMS320C54xx、TMS320C55x等。

（3）面向高性能、多功能、复杂应用领域的TMS320C6000系列，主要包括TMS320C62xx、TMS320C64xx、TMS320C67xx等。

美国模拟器件公司ADI公司在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ADSP2111/2115、ADSP2126/2162/2164、ADSP2127/2181 、ADSP-BF532以及Blackfin系列，浮点DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062，以及虎鲨TS101，TS201S。

Motorola公司Motorola 公司推出的DSP芯片比较晚。

1986年该公司推出了定点DSP 处理器MC56001；1990年，又推出了与IEEE浮点格式兼容的的浮点DSP芯片MC96002。

还有DSP53611、16位DSP56800、24位的DSP563XX和MSC8101等产品。

杰尔公司杰尔公司的SC1000和SC2000两大系列的嵌入式DSP核，主要面向电信基础设施、移动通信、多媒体服务器及其它新兴应用。

DSP芯片的选型参数根据应用场合和设计目标的不同，选择DSP芯片的侧重点也各不相同，其主要参数包括以下几个方面：（1）运算速度：首先我们要确定数字信号处理的算法，算法确定以后其运算量和完成时间也就大体确定了，根据运算量及其时间要求就可以估算DSP芯片运算速度的下限。

在选择DSP芯片时，各个芯片运算速度的衡量标准主要有：MIPS(Millions of Instructions Per Second)，百万条指令/秒，一般DSP为20~100MIPS，使用超长指令字的TMS320B2XX为2400MIPS。

必须指出的是这是定点DSP芯片运算速度的衡量指标，应注意的是，厂家提供的该指标一般是指峰值指标，因此，系统设计时应留有一定的裕量。

MOPS(Millions of Operations Per Second)，每秒执行百万操作。

这个指标的问题是什么是一次操作，通常操作包括CPU操作外，还包括地址计算、DMA访问数据传输、I/O操作等。

一般说MOPS越高意味着乘积-累加和运算速度越快。

MOPS可以对DSP 芯片的性能进行综合描述。

MFLOPS（Million Floating Point Operations Per Second），百万次浮点操作/秒，这是衡量浮点DSP芯片的重要指标。

例如TMS320C31在主频为40MHz时，处理能力为40MFLOPS，TMS320C6701在指令周期为6ns时，单精度运算可达1GFLOPS。

浮点操作包括浮点乘法、加法、减法、存储等操作。

应注意的是，厂家提供的该指标一般是指峰值指标，因此，系统设计时应注意留有一定的裕量。

MBPS(Million Bit Per Second)，它是对总线和I/O口数据吞吐率的度量，也就是某个总线或I/O的带宽。

例如对TMS320C6XXX、200MHz时钟、32bit总线时，总线数据吞吐率则为800Mbyte/s或6400MBPS。

ACS（Multiply-Accumulates Per Second），例如TMS320C6XXX乘加速度达300MMACS~600MMACS。

指令周期，即执行一条指令所需的时间，通常以ns（纳秒）为单位，如TMS320LC549-80在主频为80MHz是的指令周期为12.5ns。

MAC时间，执行一次乘法和加法运算所花费的时间：大多数DSP芯片可以在一个指令周期完成一次MAC运算。

FFT/FIR执行时间，运行一个N点FFT或N点FIR程序的运算时间。

由于FFT运算/FIR运算是数字信号处理的一个典型算法，因此，该指标可以作为衡量芯片性能的综合指标。

表1是基于上述某些参数对一些DSP芯片所作的比较。

（2）运算精度：一般情况下，浮点DSP芯片的运算精度要高于定点DSP芯片的运算精度，但是功耗和价格也随之上升。

一般定点DSP芯片的字长为16位、24位或者32位，浮点芯片的字长为32位。

累加器一般都为32位或40位。

定点DSP的特点是主频高、速度快、成本低、功耗小，主要用于计算复杂度不高的控制、通信、语音/图像、消费电子产品等领域。

通常可以用定点器件解决的问题，尽量用定点器件，因为它经济、速度快、成本低，功耗小。

但是在编程时要关注信号的动态围，在代码中增加限制信号动态围的定标运算，虽然我们可以通过改进算法来提高运算精度，但是这样做会相应增加程序的复杂度和运算量。

浮点DSP的速度一般比定点DSP处理速度低，其成本和功耗都比定点DSP高，但是由于其采用了浮点数据格式，因而处理精度，动态围都远高于定点DSP，适合于运算复杂度高，精度要求高的应用场合；即使是一般的应用，在对浮点DSP进行编程时，不必考虑数据溢出和精度不够的问题，因而编程要比定点DSP方便、容易。

因此说，运算精度要一个折衷的问题，需要根据经验等来确定一个最佳的结合点。

（3）字长的选择：一般浮点DSP芯片都用32位的数据字，大多数定点DSP芯片是16位数据字。

而Motorola公司定点芯片用24位数据字，以便在定点和浮点精度之间取得折衷。

字长大小是影响成本的重要因素，它影响芯片的大小、引脚数以及存储器的大小，设计时在满足性能指标的条件下，尽可能选用最小的数据字。

(4)存储器等片硬件资源安排：包括存储器的大小，片存储器的数量，总线寻址空间等。

片存储器的大小决定了芯片运行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同种类芯片存储器的配置等硬件资源各不相同。

通过对算法程序和应用目标的仔细分析可以大体判定对DSP芯片片资源的要求。

几个重要的考虑因素是片RAM和ROM的数量、可否外扩存储器、总线接口/中断/串行口等是否够用、是否具有A/D转换等。

（5）开发调试工具：完善、方便的的开发工具和相关支持软件是开发大型、复杂DSP 系统的必备条件，对缩短产品的开发周期有很重要的作用。

开发工具包括软件和硬件两部分。

软件开发工具主要包括：C编译器、汇编器、器、程序库、软件仿真器等，在确定DSP算法后，编写的程序代码通过软件仿真器进行仿真运行，来确定必要的性能指标。

硬件开发工具包括在线硬件仿真器和系统开发板。

在线硬件仿真器通常是JTAG周边扫描接口板，可以对设计的硬件进行在线调试；在硬件系统完成之前，不同功能的开发板上实时运行设计的DSP软件，可以提高开发效率。

甚至在有的数量小的产品中，直接将开发板当作最终产品。

（6）功耗与电源管理：一般来说个人数字产品、便携设备和户外设备等对功耗有特殊要求，因此这也是一个该考虑的问题。

它通常包括供电电压的选择和电源的管理功能。

供电电压一般取得比较低，实施芯片的低电压供电，通常有3.3V、2.5V，1.8V，0.9V 等，在同样的时钟频率下，它们的功耗将远远低于5V供电电压的芯片。

加强了对电源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式节省功率消耗。

例如TI公司提供了详细的、功能随指令类型和处理器配置而改变的应用说明。

（7）价格及厂家的售后服务因素：价格包括DSP芯片的价格和开发工具的价格。

如果采用昂贵的DSP芯片，即使性能再高，其应用围也肯定受到一定的限制。

但低价位的芯片必然是功能较少、片存储器少、性能上差一些的，这就带给编程一定的困难。

因此，要根据实际系统的应用情况，确定一个价格适中的DSP芯片。

还要充分考虑厂家提供的的售后服务等因素，良好的售后技术支持也是开发过程中重要资源。

（8）其他因素：包括DSP芯片的封装形式、环境要求、供货周期、生命周期等。

DSP应用选型举例面向数字控制、运动控制的DSP 系统开发的DSP芯片选型面向数字控制、运动控制主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制、电力系统控制、机器人控制、高精度伺服系统控制、数控机床等。

当然这些主要是针对数字运动控制系统设计的应用，在这些系统的控制中，不仅要求有专门用于数字控制系统的外设电路，而且要求芯片具有数字信号处理器的一般特征。

例如在控制直流无刷电动机的DSP控制系统中，直流无刷电机运行过程要进行两种控制，一种是转速控制，也即控制提供给定子线圈的电流；另一种是换相控制，在转子到达指定位置改变定子导通相，实现定子磁场改变，这种控制实际上实现了物理电刷的机制。

因此这种电机需要有位置反馈机制，比如霍尔元件、光电码盘，或者利用梯形反电动势特点进行反电动势过零检测等。

电机速度控制也是根据位置反馈信号，计算出转子速度，再利用PI或PID等控制方法，实时调整PWM占空比等来实现定子电流调节。