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如何合理地安排數據流程，使之在DSP的各執行單元間無沖突地順利執行，仍是DSP開發人員面臨的一個非常重要的問題。由于設計的復雜性，將算法映射到DSP具體目標硬件上，尚不能采用高層次編程語言，必須使用匯編語言，并對器件的并行執行機制有十分清楚的了解。而這種局限于匯編語言的編程設計,正是提高軟件開發效率的瓶頸。 90年代早期，嵌入式系統和桌面應用的開發人員曾面臨相似的問題。當時為提高設計效率而采用的方法現在仍可借鑒使用。一個短期的解決方案是由編程人員自己解決這一問題。但是，編程人員相對短缺，而且DSP領域編程人員更為緊缺。在DSP開發時，可以考慮采用非DSP專業的編程人員，但這些人員一般傾向于使用桌面和嵌入式應用的開發工具。而DSP開發領域還沒有類似的工具，這就阻礙了DSP應用的進一步推廣。 開發相似，實質不同 即使采用了上述的開發工具，DSP還具有不同于RISC和CISC的獨特特征。DSP處理能力不僅靠越來越快的時鐘速率來實現，而且還依賴于并行處理結構的進一步采用。早期的DSP僅含有單個多路器和累加器，由哈佛結構以及一些控制寄存器環路組成。而目前的DSP處理器通常采用多個執行單元，每個執行單元都由算數邏輯運算單元（ALU），一個多路器和累加器組成，而且這些執行單元可以并行執行。 美國I.C.Com 公司在與西門子半導體公司的合作中，開發出了Carmel DSP，它通過一個非常類似C的匯編語言來解決DSP開發面臨的上述瓶頸問題。 I.C.Com公司VLSI設計副總裁Amnon Rom說：“我們的目的是使我們的匯編語言Carmel盡可能地接近C語言。對DSP開發來說，減少開發過程中從浮點算法轉換到固定點算法，然后再到匯編語言程序所需的時間非常重要。通過將匯編語言與之一一對應，從而減去了從C語言到匯編語言的開發步驟。” 友好易用的硬件系統 美國ZSP公司采用易于編譯的硬件系統來解決DSP開發中面臨的這一問題。其硬件系統包含一個正交指令集，一個透明狀態機和一個流水線控制單元。其中流水線控制單元是該結構的關鍵，它代替編程人員對DSP中的并行執行單元進行作業安排控制。通過分配指令到硬件、解決數據和資源間的依存問題，從而將指令分組分配到DSP的各個并行執行單元。這樣減去了編程人員和編譯器安排分配并行任務的負擔。 ZSP公司提供一套完整的軟件開發工具，讓編程人員管理復雜的DSP編程任務。可以通過命令行直接調用這一工具，或者通過使用Premia的Codewright編輯器。Codewright是一個開發工作平臺，通過它可啟動其他應用程序。ZSP就是采用該平臺來管理其Gnu編譯器、匯編器、鏈接器、仿真器以及調試工具。 Codewright開發環境進一步擴展，包括了設計項目目錄管理功能，對項目可執行程序的生成進行參數調整。針對基本的DSP軟件開發，ZSP公司提供了一個完整的解決方案。 美國TI公司認為DSP未來的發展在于軟件，并已經開始著手兩項開發。首先，它將Code Composer IDE的功能與DSP/BIOS和RTDX驅動程序進行集成，組成綜合開發環境Code Composer Studio。這是TI將其收購的GoDSP公司Code Composer DSP調試工具與Spectron的低檔DSP操作系統進行統一集成的結果。其次，它建立了DSP軟件模塊的標準接口，以便更好地重新利用現有的實現了的DSP算法。 TI公司認為，通過將一個匯編語言優化器集成到其Code Composer開發環境，從而減少了對匯編語言的需要。據稱該工具產生的編碼的效率可達到手工調試的匯編語言的80。 對DSP開發，每個MIP和存儲器字非常珍貴，對這一資源的任何浪費都會影響項目的進展，使之難以完成。但為了提高軟件開發效率，也必須犧牲一些MIP和存儲器為了更好地開發對DSP開發，每個MIP和存儲器字（Word）非常珍貴，對這一資源的任何浪費都會影響項目的進展，使之難以完成。但為了提高軟件開發效率，也必須犧牲一些MIP和存儲器。這些MIP和存儲器資源是用在DSP內訪問程序和數據轉換方面，訪問程序將DSP算法的內部表達方式轉換成共用的方式，以便進行通信。 TI公司提出的軟件標準包含兩個方面，一是處理目標硬件與主機的接口，另一方面處理內部的API（應用程序接口）集，以提供DSP軟件模塊間的通信。在主機一側，是Active X程序集，用來處理與目標硬件間的通信，并模擬目標器件的行為。這里主機接口包括以下四個主組：項目服務器，編輯服務器，圖象服務器和調試服務器。其中調試服務器用來建立和維持與目標硬件間的通信。在目標硬件一側，鏈接依賴于RTDX和DSP BIOS。 Blue Wave Systems的產品經理Nick Keeling對Code Composer Studio表示很大的興趣，他說，通過這一產品，可以看到DSP軟件開發步入成熟。這一進程是TI與其第三方DSP板級開發商共同合作的結果，從Code Composer Studio開發的初期，第三方板級開發商就積極地參與了進來。而這一參與使第三方廠商有能力對Code Composer Studio的功能開展進一步開發。 Blue Wave Systems公司正對Code Composer Studio進行改進，使它能自動識別與之相連的任何電路板，包括讀取電路板上的配置信息，以及識別安裝在電路板上的驅動程序類型。該公司可提供這種電路板和改進后的具備自動識別功能的Code Composer Studio開發環境。 Analog Devices公司的Visual DSP工具集與TI公司的Code Composer類似，但不包括主機與目標硬件的鏈接。該工具支持其全部SHARC DSP系列產品。 Visual DSP是集成了IDE和調試器的一個項目管理工具。原碼調試工作可在一個C語言和匯編語言的混合環境中完成。同時調試工作可通過一個硬件仿真器在主機上進行，也可直接在目標硬件上實現。 目標器件接口數據流可通過中斷的隨機組合來仿真。并可在指定的地址范圍內和地址范圍外設置觀測點進行檢查。這種功能使開發人員能更好地處理堆棧資源的下溢和上溢。 DSP：數字化時代的驕子 在即將告別20世紀 、步入21世紀的世紀之交的時刻，讓我們首先回顧一下國際上電子工業最近30年來發展的歷程： 70年代的電子工業以消費電子為主，代表性的產品是錄像機、攝像機、彩電，主要的生產廠商是日本的Sony、JVC、荷蘭的Philips等家電廠商，依靠的是大規模生產和優秀的質量。80年代是計算機時代，代表性的產品是PC機、硬盤驅動器、打印機，主要生產廠商是美國的Intel、IBM、Microsoft、Compaq等公司。90年代起是信息時代，代表性的產品是個人通信網、網絡接入設備、數字化消費類電子產品，主要生產廠商目前尚難確定，處于戰國七雄爭霸時代，主要獲勝的戰略之一是以DSP為核心的技術及其創新產品。 DSP可以代表數字信號處理技術，也可以代表數字信號處理器，其實兩者是不可分割的，前者是理論上的技術，要通過后者變成實際產品。兩者結合起來就成為解決某一實際問題和實現某一方案的手段——數字信號處理解決方案（DSPS）。 DSPS正在改變我們生活方式的各個方面，例如人們之間的聯系方式正由電話轉向個人通信方式。人類從電話發明到5千萬電話用戶數花了70年時間，模擬蜂窩電話達到5千萬用戶花了14年，而數字蜂窩電話（GSM是其中之一）只花了5年就達到相同的用戶數。 再如我們的娛樂方式，VCD、DVD正替代VHS錄像機，數字電視機開始替代模擬的NTSC或PAL制電視機。家庭影院主要由數字化A/V設備組成，DSP不僅給你環繞聲，還為你虛擬各種現場效果。 DSP日益進入人們的生活，所以DSP芯片的年增長率超過50，在最近幾年整個半導體產量下降的情況下，唯有DSP芯片保持高速增長的勢頭。 DSP的發展面臨的挑戰是CPU速度的急速增快和價格的持續下降，使DSP制造商面臨兩種選擇，一種是加快DSP的發展，另一種是退出競爭。看來主要的DSP制造商都選擇了第一種路線，尤其是占全球DSP銷售份額45的美國TI公司在對公司的產品進行結構性調整的基礎上，以多元化投資轉到單一化投資，確立以DSPS為主要發展的產品，即集所有技術、所有產品于DSP。 TI公司在原來已被人們熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基礎上發展了三種新的DSP系列，它們是：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列，成為當前和未來相當長時期內TI DSP的主流產品，前面提到的那些老型號產品均將被這三種新系列產品替代。從今年開始，’C1X、’C25、C5X、C8X的價格每年都會上調，今年提升了10。而C2000、C5000和C6000三種新系列芯片的價格會逐年作較大幅度的下調，因此無論從價格還是技術支持或是從產品開發的連續性出發，建議大家盡量采用新的DSP系列，在進行教學、培訓時也應介紹這三種新的系列。 三種新型TMS320 DSP系列的特點 1.TMS320C2000——作控制用的最佳DSP，可以替代老的’C1X和’C2X。現在有趨勢集中在以下兩個方向上： （1）C20X 16位定點DSP，速度為20MIPS，主要用途是電話、數字相機、售貨機等，其中：’F206帶有閃速存儲器，售價從5～17美元。 （2）C24X 16位定點DSP，速度為20MIPS，用作數字馬達控制、工業自動化、電力轉換系統、空調等，售價從4～18美元。 2.TMS320C5000——低功耗高性能DSP，16位定點，速度40～200MIPS。主要用途是有線和無線通信、IP、便攜式信息系統、尋呼機、助聽器等。價格5～75美元。 目前，C5000系列中又有三種新成員，一種是’C5402，這是廉價型的DSP，目標價格是每片5美元（50K批量），速度保持100MIPS，片內存儲空間稍小一些，RAM為16K、ROM為4K。主要應用對象是無線Modem、新一代PDA、網絡電話和其它電話系統以及消費類電子產品。 第二種是C5420，它擁有兩個DSP核，速度達到200MIPS，200K片內RAM，功耗0.32mA/MIPS，200MIPS全速工作時不超過120mW，為業內功耗最低的DSP。’C5420是當今集成度最高的定點DSP，適合于做多通道基站、服務器、Modem和電話系統等要求高性能、低功耗、小尺寸的場合 。 第三種是C5416，它是TI公司0.15μm器件中的第一款，速度為160MIPS，有三個多通道緩沖串行口（McBSPs），能夠直接與T1或E1線路聯接，不需要外部邏輯電路，有128K片內RAM。應用對象是VoIP、通信服務器、PBX（專用小交換機）和計算機電話系統等。 3.TMS320C6000——這是TI公司1997年2月推向市場的高性能DSP，綜合了目前DSP的所有優點，具有最佳的性價比和低功耗。’C6000系列中又分成定點和浮點兩類。 （1）’C62XX 16位定點DSP，速度為1200～2000MIPS，用于無線基站、ADSL Modem、網絡系統、中心局交換機、數字音頻廣播設備等，價格為21～224美元。 （2）’C67XX 32位浮點DSP，速度為1Gflops，用于基站數字波束形成、醫學圖像處理、語音識別、3-D圖形等，價格109～233美元。 C6000在向兩個方向發展，一是追求更高的性能，二是在保持高性能的同時向廉價型發展。前者如定點’C6202可以達到2000MIPS的速度，后者如定點’C6211只有25美元、浮點的’C6711僅售20美元。 在老的TI DSP系列中，浮點’C30還是TI公司主推的產品，因此它的售價不像其它老系列每年都要提升。TI公司還在對這個型號作性能改進和制造廉價型，如新近推出的’C33采用0.18μm制造工藝，有1M RAM，速度為120Mflops，為老產品的兩倍，而價格僅5美元。速度更高的150Mflops為8美元。’C33與其它’C3X器件代碼兼容，所以用戶可以保護其軟件環境，在他們換用新器件時還可以減少開發時間。 DSP為電子業創造新的機遇 上面所介紹的TI公司的新一代DSP已經替代80年代和90年代初的老一代產品，在電子信息產業方面獲得了廣泛的應用。’C2000系列已用于數字馬達控制、數字照相機、PC照相機；’C5000系列用于蜂窩網手機、程控交換；’C6000系列用于基站、ADSL、V.90 56K Modem。 有數百家直接依靠TI的DSP而成立的公司，稱為TI的第三方（Their Party），它們有做DSP開發工具的，有從事DSP硬件平臺開發的，有從事DSP應用軟件開發的。這些公司基本上是80年代末，90年代初才創建的，開始時往往只有幾個人，經過5年、10年現在均發展到具有相當規模。如D2 Technologies、DSP Research、DSP Tools、Dialogic、GD DSP、HotHaus、Micro LAB Systems、PenTek、Seed、Spectrum Digital、Spectrum Signal Processing、White Mountain DSP等公司，在DSP開發工具、應用軟件、DSP平臺方面都很有成就。 相對國外DSP的應用開發和第三方公司的情況，我國國內差距相當大，知道使用DSP的單位不多，這些單位中大多數還在使用’C25，’C5X。DSP工具開發已經起步，但也只有聞亭和合眾達兩家，而專門從事DSP硬件平臺和應用軟件開發的單位和公司還沒有，“第三方”在中國基本上是空白。 上海交通大學在1997年初與TI公司聯合成立了DSP技術中心，除在本科生和研究生中進行新一代DSP的教學外，還盡一切努力開展DSP的應用研究，研究的目標完全放在新產品的開發方面。我們（指上海交大，以下皆同）組成了一支包括教師、研究生在內的三十余人的DSP應用R&D隊伍，配備有TI公司提供的最新DSP開發工具和齊全的資料，并獲得上海市科委的支持，設立了上海數字技術中心。 目前我們已經和正在進行研究和開發的項目主要分成以下三類： 1. 語音編碼及其相關產品 在所有的通信系統中，語音通信仍然是最基本的通信方式，也是應用最普遍的。ITU制訂了許多語音壓縮標準，我們已經做出來的有用’C542實現的G.728、G.723、GSM06.10，正在進行的有G.722、G.726、G.729、FS1016等。 在此基礎上正在研制多通道電話記錄儀。用自制的’C542電話壓縮卡，將一張電話卡的數碼率從64kbps降到13kbps，語音質量MOS（平均判分）為3.7，而國內使用最普遍的語音卡采用ADPCM算法，32kbps時才有相同的音質，號稱能用到16kbps，但音質僅為2分。我們每張卡可同時壓縮8路電話，一臺PC機可插4張卡，同時壓縮32路電話。 另一個正在開發的是數字電話擴容系統（DCME），采用’C6201DSP和ITU-G.728語音壓縮算法、將E1的每路64kbps電話壓縮到16kbps，壓縮4倍，這樣可將30路的E1擴容至120路的E2系統。 2. Hi-Fi音頻壓縮及相關產品 最近幾年VCD、DVD、MD、DAB、DVB等數字音視頻產品萬紫千紅，在這些數字化新家電中，DSP最起作用的地方是Hi-Fi的音頻處理，我們已對MPEG音頻Layer2、Layer3、MPEG-2 AAC、Dolby AC-3等用C語言仿真研究，在此基礎上用’C549實現了MP3解碼器的初樣。正在用’C6201和’C6701分別實現MP3編碼器和MPEG-2 AAC編解碼器。MPEG-2 AAC重建的音質超過MP3和AC-3將成為21世紀直播衛星、地面DAB和SW、MW、AM廣播數字化的首選標準。 3. 圖象壓縮及相關產品 完成用’C542實現的脫機的便攜式彩色靜止圖像傳輸系統，分辨率有576×480、352×288（CIF）、176×144（QCIF）等可選擇，發送端圖像壓縮終端如一般的Modem大小，可通過Modem在PSTN（公共交換電話網）上撥號傳輸圖像，也可通過無線Modem在CDPD分組無線數據網中傳輸，適用于遠程監控、彩色文件傳送。在此基礎上正在開發用’C6201 DSP的符合H.263標準的可視電話。 我們對DSP的應用前景充滿希望和信心，也盼望有更多的高校、科研機構、公司開展DSP的應用研究，藉此開發最新的數字化電子產品，為振興我國電子工業作出貢獻。 |
