DSP的30年

发布时间：2014-12-22 14:30 发布者：designapp

关键词： DSP , DSC , FPGA , 可编程ASSP

要点
1. DSP设计人员寻求优化TI所称的“三P价值”，即：性能、价格与功耗。
2. ADI设计人员了解其DSP所面向应用的功率包络。
3. Microchip对数字信号处理采用了一种替代方案：数字信号控制器。
4. 未来，可编程ASSP器件为TI的DaVinci这类器件提供了一种替代品，将面向某些市场中的FPGA。
如德州仪器(TI )公司首席研究员GeneFrantz所言，该公司DSP先驱的顿悟始于上世纪70年代末，恰好在TI公司创造性的Speak & Spell学习玩具放上零售货架后不久。Frantz回忆那时有个顾客问：“如果你们可以用DSP给玩具加上语音合成，还能用它做别的什么吗？”
当今年TI公司庆祝在DSP市场的30周年时，这个长久以来的问题已经过了无数次的解答。如果没有DSP以及它在音频、图像和多媒体处理方面的推动作用，就不会有“信息娱乐”内容，没有智能手机或平板电脑，没有互联网，也没有APP的生态系统。
TI的“玩具”技术不仅促使公司进入了一个新的业务领域，而且为TI、其竞争对手以及工具供应商的开发建立了舞台，推动DSP技术进入了各种应用与市场。与此同时，传统DSP器件遭遇了各种替代性信号处理平台的竞争，包括有DSP特性的CPU、用微控制器与DSP核心配对使用的数字信号控制器、用于为数字信号处理设计定制的数据路径，甚至创建定制可编程处理器的FPGA，以及最新出现的有大量并行处理的图形处理器，它可以解决数据并行问题。
DSP技术的起源要比Speak & Spell玩具早几年。在上世纪70年代初期，科学家们开始采用市售的现成TTL分立逻辑芯片，实现专门的信号处理“引擎”。早期系统相对速度缓慢，占用空间大。TRW公司在1973年发布了第一款实用的并行乘法器，并在两年后增加了位片(bit-slice)ALU。但仅乘法器芯片就要数百美元，唯一能买得起这种产品的客户只有研究实验室、医疗扫描设备制造商及军队。
1978年，American Micro- systems公司推出了第一款专门为DSP设计的单芯片IC：12位的S2811。AMI发明了一种真正创新性电路设计，但其芯片实现时采用了一种激进的“V槽”(V groove)MOS技术，而这种技术从未用于量产的商业产品。
第二年，英特尔公司推出了Intel2920 16位“模拟信号处理器”，起这个名称是因为英特尔要设计一种用于直接替换模拟电路的芯片，包括了板上的A/D和D/A转换器。2920以数字形式处理模拟信号，但它缺少一个并行乘法器；此外，它600ns的周期速度太慢，无法在音频段做出有用的工作，而音频段是第一个大批量DSP芯片的市场。
第一只“真正”单芯片的DSP出现在上世纪80年代初，由贝尔实验室和NEC推出，市场分析公司Forward Concepts将其定义为并行MAC(乘法器-加法器)电路。贝尔实验室的芯片叫DSP-1，是一种用于AT&T与Western Electric设计中的容性器件。NEC的μPD7720是第一种真正量产、在商业市场上发售的单芯片DSP。尽管受制于粗糙的开发工具，NEC的芯片仍然可提供充足的速度，它用一个双周期MAC实现122ns的周期时间，能够在音频段做一些有用的工作。
80年代末，理光公司的HiromitsuYagi为传统的NMOS工艺重新设计了原AMI的S2811芯片。Yagi的工作结果是理光RD28211和AMIS28211。
TI加入游戏
在80年代，TI公司的Ed Caudel设计了后来成为该公司第一款DSP的初始架构。同年，Surendar Magar受雇围绕DSP算法来优化架构。1982年2月，TI在传统的“国际固态电路研讨会”上以一篇《具有数字信号处理能力的一种微计算机》(参考文献1)的论文将设计结果公诸于世。1982年4月，Caudel在巴黎召开的“音频、语音与信号处理国际研讨会”上宣布了最终产品—TMS32010。
推出Speak & Spell后(图1)，TI公司继续为各种行业开发DSP器件，但业务的关键以及对市场增长起决定性作用的，还是围绕处理器所出现的生态系统。业界最早的DSP工程师之一Frantz说：“TI成为第一家拥有一款复杂的信号处理芯片的公司，也理解到器件本身并非产品，产品是器件加支持加开发环境加一条器件热线。我们为客户创造了一个产品，使他们可以将其用在自己的产品中。”

在早期年代，TI的DSP热线是为客户提供帮助的一个重要来源，尤其是很多情况下，回答电话问题的人正是被咨询器件的架构师。Frantz说：“TI有一些非常大的客户，我们接到这些大客户从不同地区打来的电话，有六到七个不同区号。我们发现自己比他们还清楚他们公司在做什么东西。我们尽自己所能帮助他们发展。”
也有很多来自小型新兴公司的电话，咨询着相同的问题，而TI早在业内成员顺应趋势做出选择以前，就看到了正在形成的市场。Frantz指出，这以后几年间，公司发明了下一代信号处理器，做出了客户想要获得的“疯狂”东西。
在此过程中，TI一直牢记“三P价值”，即：性能(performance)、价格(pr ice)以及功耗(power di s -sipation)。Frantz说：“大多数人并不明白功耗是多么重要，但我们自60年代中期就一直致力于小功率器件技术，当时已经发明了计算器。”
初期，TI开始了它的第三方计划，鼓励有DSP专业能力的小型公司去“填充”TI无法照顾到的“空白”。Frantz将计划描述为一个“价值网”，所有参与者都可以通过它获得收益，同时扩展了现有的客户支持网络。
Fernando Mujica是TI系统架构实验室主任，是分析嵌入式处理方面的专家，他从Frantz这些DSP先锋手中接过了接力棒。Mujica说：“过去30年来，我们生活中的方方面面几乎都受到了DSP的影响。现在，我们正看到DSP开始做嵌入分析工作，这是需要最高程度可编程性的一个不断增长和发展的领域。现在，信号调整与压缩技术都实现为硬编码的加速器，并与DSP整合在现代的嵌入式处理器中。”
今天的DSP和其它嵌入式处理器承担了以往需要人工干预的工作。相关例子是拓展了汽车安全功能的范围，包括偏离车道警告和主动巡航控制等，这些已出现在高档汽车中。这些系统已超出了便利功能范畴，它们会向驾驶者提出警告，乃至在紧急情况下做刹车或转向操作。
Mujica表示：“在不久的将来，嵌入分析解决方案将使自动化驾驶成为一种现实(图2)。机器人是另外一个即将出现革命性变化的领域，因为嵌入式处理器的性能在增长，它们已能完成复杂的分析任务。”

如要了解DSP如何整合到很多TI提供的方案中，可以看一下该公司基于KeyStone的高性能多核处理器、单核处理器，以及OMAP处理器(参考文献2、3和4)。

小功率创新者
TI不是唯一一家在“三P价值”上推动DSP技术发展的公司。ADI公司以2001年开发的定点Blackfin处理器和90年代中期的浮点Sharc处理器，坚定不移地改进着功率/性能比。
随着对处理精度的需求越来越高，设计者不断地面临着解决功率预算需求的难题。ADI公司处理器营销总监Colin Duggan以及Blackfin产品经理Richard Murphy表示，ADI公司专注于现有功率的高效利用，从而获得越来越紧凑的设计，可确保有更好的系统便携性，占据最少空间，使得总体运行成本较低。他们指出，低功耗通常发热低，有助于获得更高的系统可靠性，减少了系统级与空间级的冷却，从而节省了相关的功率、空间和成本。
对于电池供电设备，较低功率的处理器能延长系统电池的寿命和充电间隔，有助于减小系统尺寸和重量，保证了便携能力。处理器功耗的下降也让设计者可以使用较小的电池，最大限度地节省了功耗与空间。
刚刚发布的BF60x高性能系列以及前代Blackfin中都采用了DPM(动态电源管理)，开发人员可以将处理器功耗与程序执行时的处理需求相匹配(图3)。20 01年10月，ADI率先将DPM应用于首款发布的Blackfin处理器中。小功率处理器延长了系统电池的寿命，有助于减小系统体积与重量。

Blackfin处理器中采用的其它设计技术包括：可编程电压以及频率缩放；时钟周期分辨率的动态时钟门控；多电源域，支持深度睡眠与冬眠模式；高代码密度，尽量减少了激活总线的能量；采用混合阈值电压晶体管，获得了最佳性能与功率效率；一个最高能效的全定制处理器核心；审慎采用硬件加速器；以及支持亚稳态SDRAM，使板级功耗降至最低。
在浮点方面，ADI仍牢记低功耗技术，设计出了最新的Sharc 2147x。该处理器有5Mbit片上内存，设计者可以将功率存储起来，以备扩展将数据移动到外存和其它处理器。该系列的集成内存与并行处理特性能够提高性能，确保算法和程序执行得更快，从而得到了净功耗下降的好处。
两两比较(均在的典型功耗)有助于ADI做出方案。在Sharc系列中，ADSP-21261在150MHz时功耗为900mW，200MHz时为1.2W；与之相比，最新的ADSP-2147x系列在150MHz时功耗180mW，在266MHz时功耗363mW。在Blackfin系列中，BF527在600MHz时的核心功耗为205mW，待机功耗为10mW，而冬眠模式耗电大约为40μA；最新的BF592在300MHz时提供88mW的动态功耗，待机功耗不到1mW，冬眠耗电为20μA。该公司最高性能的Blackfin BF609有两个500MHz核心，在1GHz时耗电400mW。
Duggan和Murphy指出，ADI的节电特性提供了灵活的控制，更新的工艺尺度有更高的功率效率。他们补充说，该公司的设计者都了解其DSP所要满足的应用的功率包络。
ADI的目标是，尽可能在应用的一个特定功率包络中获得最高的性能。用户可编程PLL，可调降自身系统时钟的外设，以及当某些外设不工作时关闭任何时钟域的能力等，都可以节能。其它节能方案包括：采用高效的总线架构，尽量增加设计中采用高阈值电压晶体管的百分比(一般为93%)，以及使用PVP(流水线视觉处理器)做为加速器。
Microchip的DSC
Microchip Technology公司的数字信号处理采用了另一种方案：DSC(数字信号控制器)。第一款芯片是用一个DSP与一只8位微控制器配对。然后，Microchip的工程师在一个PIC微控制器中集成了一个DSP核心，这就是2002年面世的16位dsPIC(参考文献5)。
可缩放的dsPIC解决方案提供了专利的微控制器式中断处理，可用于实时控制，据Microchip称，用DSP做实时控制一直面临着挑战(图4)。DSC核心采用一种修改过的Harvard总线架构，有16位宽的数据路径和24位宽的指令路径；广泛寻址模式；一个16×16位的通用寄存器集；一个灵活的软件栈；单周期16×16乘法功能；带双端口SRAM的DMAC(直接内存访问控制)；以及八个外设通道。

DSC的运行速度从30MIPS到70MIPS，用于数字电源、照明、电机控制、语音、生物计量、传感器处理以及简单滤波器等市场。芯片包含了用于语音处理的DAC、电机控制PWM、快速ADC，以及专门用于SMPS(开关电源)应用的ADC。Microchip公司称这些器件具有高运放集成度，提供了微控制器般的“观感”，设计者无需学习DSP设计或软件就可以使用。
Microchip鼓励从dsPIC到PIC24微控制器的无缝迁移，两者的代码与引脚兼容。同样免费的MPLABX集成开发环境可用于Microchip的8位、16位与32位微控制器及其DSC。该公司称其战略是为工程师们提供简单的解决方案，使应用开发人员(如数字电源)能够方便地使用模拟友好的高度集成dsPIC。

转向FPGA
从传统DSP转向基于FPGA的DSP硬件，这个过程会涉及一组新的设计技巧，以及对硬件的新理解。对于刚开始使用FPGA或DSP的开发人员，这种转换可能是一个相当大的任务，它增加了设计日程的风险。高级经理Tom Hill为Xilinx编写过一份白皮书《Xilinx DSP设计平台：简化FPGA在DSP中的使用》(参考文献6)，其中给出了Xilinx的DSP开发套件设计思想，以简化FPGA的采用，算法与硬件开发人员在用Xilinx器件开发DSP应用时，能快速地进入状态。
Hill指出，在90年代时，Xilinx设计了用于DSP处理的4000 系列FPGA。客户很快发现，他们可以用FPGA建立数字滤波器。大约1999年，时任Xilinx现场应用工程师的Bruce Newgard认为公司有一个很大的机会，但管理层需要一些有说服力的东西，才同意在Xilinx内部成立一个DSP部门。
2005年，Xilinx打造完成了一个DSP战略，即与TI和MathWorks合作，为算法开发与设计实现引入FPGA/DSP协处理平台和紧密集成的工具流。同一年，Forward Concepts估计，基于FPGA DSP解决方案的性能与灵活性可以应付20亿美元的高性能DSP市场。Xilinx初期的目标市场是高增长的数字通信、MVI(多媒体、视频与影像)，以及防务系统。这些领域加起来，要占到80%以上的高性能DSP市场份额。
Xilinx与MathWorks合作开发了SystemGenerator，这是业界第一个针对Xilinx FPGA的DSP插件。今天，SystemGenerator for DSP是采用FPGA做高性能DSP系统设计的一款领先高级工具。
Xilinx 称，使用System Generator，没什么FPGA设计经验的开发人员也可以快速地通过算法FPGA实现量产质量的DSP，所花时间只有传统RTL开发的几分之一。工具提供了系统建模以及从MathWorks Simulink的自动代码生成，并集成了RTL、嵌入、IP、Matlab，以及一个DSP系统的硬件。System Generator for DSP是XilinxDSP目标设计平台(Targeted DesignPlatform)的一个关键部分。
Xilinx已转换了自己的业务模型，从水平的FPGA供应商，变成为垂直的应用促进商，在不同的细分市场都有自己的业务。下一阶段是由工具、IP、硅片和套件组成的面向算法的平台。
Xilinx基于FPGA的DSP平台现在可与真实世界的信号相连接，并有与高速数据转换器的接口。数据会以极高速率采样，然后下变频，以简化DSP硬件实现。Hill指出，FPGA通常用于处理接口和下变频的系统，但40%的情况下会与DSP器件一起使用。
一些用户对于使用基于FPGA的DSP存在着一些疑问，如技术的易用性以及设计流程的障碍等，因此在2011年1月，Xilinx买下了AutoESL。双方结合，就是2012年1月的XilinxAutoESL，它使设计者能更容易地快速用FPGA实现DSP系统，并提供了向下一代AutoESL技术的一种更平滑转换，这就是Vivado High-Level Synthesis 2012.2(参考文献7)。随着Vivado设计套件的推出，VivadoHigh-Level Synthesis(高级综合)能够让开发人员将C、C++和System C直接应用于FPGA，而不需要手动创建RTL，从而加快了设计实现。
Hill指出，今天，如果你能用一只DSP做设计，客户就会使用一只DSP；如果设计要求采用两片或三片DSP，则FPGA就极有竞争力。对于高负荷的滤波，FPGA具有优势。FPGA能完成无线、雷达与军用声纳对抗中的上/下变频和数字预校正。医疗影像是另外一个重要领域，如有些CT扫描与拥有256个以上传感器的超声设备。
3 月份，Xilinx 推出了Zynq -7000，宣称在一只器件上集成了“全部可编程的”SoC，它提供ASIC式的性能与功耗、FPGA的灵活性，以及微处理器的编程简便性(图5)。Zynq-7000生态系统包括硬件与软件开发工具，以及操作系统。