探析1.2.5DSP的发展现状和未来走向

1．DSP的发展现状

1978年AMI公司发布的S2811当属世界上第一个单片DSP，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP的一个主要里程碑。这两种DSP内部都还没有现代DSP所必须具有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP。在这之后，美国和日本的许多厂商都投入了DSP的研制和开发工作。

1982年，美国德州仪器公司（Texas Instruments，TI）推出了TMS320系列DSP中的第一代产品TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等。之后TI公司相继推出了第二代产品TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代产品TMS320C30/C31/C32，第四代产品TMS320C40/C44，第五代产品TMS320C5x/C54x，第二代产品的改进型TMS320C2xx，集多片DSP于一体的高性能DSPTMS320C8x以及目前运行速度最快的第六代产品TMS320C62x/C64x/C67x等。如今，TI公司的DSP系列产品在世界市场上占最大份额。

与此同时，国际上的其他DSP厂商也竞相研制、推出DSP产品。1982年，日本的日立公司第一个采用CMOS工艺，推出了浮点DSP。1983年，日本富士公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。1982年，日本东芝公司推出浮点DSP。1984年，美国AT&T公司推出高性能浮点DSPDSP32。

与其他公司相比，美国Motorola公司在推出DSP方面相对较晚一些。1986年，该公司推出了定点处理器MC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP MC96002。在国际DSP市场上也占有较大份额的美国模拟器件公司（Analog Devices Inc，简称ADI），也相继推出了一系列具有自己特点的DSP，其定点DSP有ADSP2101/2103/2105、ADSP2111/2115、ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181等，浮点DSP有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062等。

自1980年以来，DSP得到了突飞猛进的发展，主要表现在以下几个方面：

（1）制造工艺

从制造工艺来看，早期的DSP采用IC工艺线宽为4μm的N沟道MOS（NMOS）工艺。而现在的DSP则普遍采用亚微米、深亚微米或超深亚微米CMOS工艺，IC工艺线宽达到45nm，集成度大大提高。DSP外部引脚数量从原来的40个左右增加到200个以上，需要设计的外围电路越来越少，成本、体积和功耗不断下降。例如，可以很方便地扩展更大的外部存储空间以及进行处理器之间的通信等。

（2）存储器容量

早期的DSP，其片内程序存储器和数据存储器只有几百个单元，有的片内还没有ROM。而现在的DSP，其片内的程序和数据存储器容量可达到几十至几百千字，对片外程序存储器和数据存储器的寻址能力也大大增强，可分别达到16M×48位和4G×40位以上。

（3）内部结构

目前，DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处理能力以及与外部设备的通信功能都有了很大的提高。例如，TMS320C6201CPU中包含8个并行的处理单元（包括6个32位ALU和2个16位乘法器）、片内1M位的SRAM、32位外部总线（4G×8位的寻址空间）、32个32位运算寄存器、2个定时器、4个外部中断、2个串行口、一个16位主机接口、4个DMA通道，其流水线分为取指、解码和执行三个阶段，共计11级。另外，它还是一种主频为200MHz的定点DSP，一个时钟周期可以执行8条指令，每秒最多可进行16亿次的定点运算。

（4）运算速度

经过30年的发展，DSP的指令周期从早期的400ns缩短到10ns以下，相应的速度从2.5MIPS提高到8000MIPS以上。例如，TI公司的TMS320C6201执行一次1024点复数FFT运算的时间只有66μs；针对基站应用的TMS320C6454主频达到1GHz，处理能力超过8000MIPS。

（5）运算精度和动态范围

由于输入信号动态范围和迭代运算可能产生误差积累问题，因此对单片DSP的精度提出了较高的要求。DSP的字长从8位增加到16位、24位、32位，累加器的长度也增加到40位，从而提高了运算精度。同时采用超长字指令字（VLIW）结构和高性能的浮点DSP的出现，扩大了数据处理的动态范围。

（6）功耗

在许多便携式产品的应用中，DSP的功耗成了主要考虑的问题。目前，DSP内核可在3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、1.0V等低电压下工作，许多DSP还可以工作在省电模式下，使系统的功耗大大降低，同时也更适用于个人通信机、便携式计算机和便携式仪器仪表。

（7）高度集成化

目前集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP已有较大的发展和应用。(www.xing528.com)

（8）开发工具

20世纪90年代以后推出的DSP都有较为完善的软件和硬件开发工具，例如软件模拟器Simulator、在线硬件仿真器Emulator、C编译器和集成开发环境CCS等，给开发应用带来了很大方便。值得一提的是，CCS（Code Composer Studio）开发工具是TI公司针对自己的DSP产品开发的集成开发环境。CCS的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C++和汇编的混合编程，其开放式的结构允许外扩用户自身的模块。它的出现大大简化了DSP的开发工作。

2．国内DSP的发展现状

目前，我国的DSP产品主要来自海外。TI公司的第一代产品TMS32010在1983年最先进入中国市场，以后TI公司通过提供DSP培训课程，使该公司DSP产品的市场份额不断扩大。现在TI公司的DSP产品约占国内市场的90%，其余的市场份额由Lucent、ADI、Motorola、ZSP和NEC等公司所占有。

目前全球有数百家直接依靠TI公司的DSP而成立的公司，称为TI的第三方（third party）。他们有的做DSP开发工具，有的从事DSP硬件平台开发，也有的从事DSP应用软件开发。这些公司基本上是20世纪80年代末、90年代初才创建的，经过20余年，现在已发展到相当规模。我国也有TI的第三方公司，如北京闻亭泰科技术发展有限公司、北京合众达电子技术有限责任公司、北京瑞泰创新科技有限责任公司等。

相对国外DSP应用开发的情况，我国还存在着较大的差距。近年来，在国内一些专业DSP用户的推动下，DSP的应用在我国日渐普及。除此之外，国内许多高校相继建立了DSP实验室，培训了大批有关DSP应用方面的人才，这对DSP在我国的发展也起到了关键的作用。

进入21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期，市场呈现高增长态势，普及率大幅度提高，从而带动了DSP市场的高速发展。此外，计算机、通信和消费类电子产品的数字化融合也为DSP提供了进一步的发展机会。中国DSP市场的主要应用集中在移动电话领域，随着中国数字消费类产品需求的大幅增长，以及DSP对数字信号高速运算与同步处理能力的提高，DSP的应用领域将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类领域。DSP处理器在数字消费类产品中主要用于图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的编码、合成、识别和高保真等语音信号的处理以及通信信号的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。

对于DSP的发展，我国与国外相比，不论在硬件方面还是在软件方面都存在着很大的差距，还有很长的一段路要走。但DSP毕竟是一个新兴产业，我们对DSP的应用前景充满希望和信心，也盼望有更多的高校、科研机构和开发公司开展DSP的应用研究，为推动DSP技术的发展、振兴我国的电子工业做出贡献。

3．DSP的发展趋势

目前，DSP技术已经日趋成熟，并获得了越来越广泛的应用。社会进入了数字化的时代，DSP在这场数字化革命中扮演着重要角色，它为新体制、新原理和新算法提供了最佳的实现条件。随着通信技术、计算机技术以及超大规模集成电路工艺的不断进步，DSP今后必将会有更进一步的发展，其发展趋势可用“多快好省”四个字来概括。

1）“多”。所谓DSP“多”的发展趋势可从广度和深度两个角度来看。从广度上来讲是指DSP的型号将越来越多。如各DSP厂商正竞相研制适应各种需求的DSP产品。从深度上来讲是多CPU的融合，一种是多DSP的融合，另一种是DSP的核和其他事务型处理的核的融合，如DSP和ARM核的融合。

与一般CPU一样，DSP也在向双核、多核演变，尤其是向高速度、高密度数据处理应用方向发展。例如，TI公司新推出的TMS320C6678，就是采用8个1.25GHzDSP内核构建而成，并在单个器件上完美集成了320GMACS与160GFLOPS定点及浮点性能，从而使用户不仅能整合多个DSP，以缩小板级空间并降低成本，同时还能减少整体的功耗要求。预计未来25年内，DSP内部可能集成上百个处理器。

对于那些不属于高密度的应用，片上系统（System on Chip，SoC）将是一个发展方向。所谓SoC技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SoC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SoC技术设计的应用系统中，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。DaVinci系列就是一个SoC的典型例子，它采用了DSP（TMS320C64x）和ARM（ARM9）双核架构，以及视频前端、视频加速器和很强继承性的软件，专门针对数字视频应用而设计。

2）“快”。所谓DSP“快”的发展趋势是指处理器运算的速度越来越快，指令速度越来越快，频率越来越高，功能越来越强。目前一般的DSP运算速度为100～700MIPS，但仍不够快。随着电子设备的日趋智能化，DSP必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。DSP运算速度的提高，主要依靠新工艺改进DSP结构。目前，TI的TM320C6455的处理速度已高达9600MIPS。当前DSP大都采用0.18μm～45nmCMOS工艺，按照CMOS的发展趋势，DSP的运算速度还会有更大的提高。

3）“好”。所谓DSP“好”的发展趋势主要是指性能价格比的提高及开发工具的完善。性能优，价格低，永远都是DSP追求的目标。在这个目标的驱动下，每隔10年DSP的性能、规模、工艺、价格等就会发生一个跃迁。DSP的发展同样遵循着摩尔定律，伴随着集成度的不断提高，是DSP性能的提升和价格的下降。“好”的发展趋势还包括提供更加完善的开发环境，特别是开发更高效率的、优化的C编译器和代数式指令系统，缩短开发周期等。DSP的未来一定是提供高附加值，就是为厂家做特色或创新产品提供一个平台，例如CDMA、可视电话、会议电话等都需要有多功能、多制式软件的支持。

4）“省”。所谓DSP“省”的发展趋势主要是指DSP向着低功耗低电压的方向发展。进一步降低功耗，开发低电压DSP内核（例如TMS320VC5402为1.8V内核供电），使其更适用于个人通信、便携式计算机和便携式仪器仪表。

正是由于DSP多快好省的发展，DSP的应用范围越来越广。DSP已经渗透到航空航天、雷达、声纳、图像、医疗设备、消费电子等众多领域，并且仍将进一步扩大应用的范围。DSP技术将会使人类世界变得前所未有的安全、智能化和网络化。TI公司高级副总裁Mike Hames在开发商大会上描绘一系列多核应用新机遇时说：“人的衣服可以给人发出健康警报，自动交通工具可以彼此通信提醒是否会延期出发，安全系统可以识别朋友和敌人并采取相应对策，而便携式媒体设备则可以让用户远程访问属于自己的任何电子设备和数据。”

总之，DSP将来的发展趋势是速度越来越快、精度越来越高、功能越来越强、功耗越来越低，并且将会渗透到我们每个人的生活当中。