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要點 1. DSP設計人員尋求優化TI所稱的“三P價值”，即：性能、價格與功耗。 2. ADI設計人員了解其DSP所面向應用的功率包絡。 3. Microchip對數字信號處理采用了一種替代方案：數字信號控制器。 4. 未來，可編程ASSP器件為TI的DaVinci這類器件提供了一種替代品，將面向某些市場中的FPGA。 如德州儀器(TI )公司首席研究員GeneFrantz所言，該公司DSP先驅的頓悟始于上世紀70年代末，恰好在TI公司創造性的Speak & Spell學習玩具放上零售貨架后不久。Frantz回憶那時有個顧客問：“如果你們可以用DSP給玩具加上語音合成，還能用它做別的什么嗎？” 當今年TI公司慶祝在DSP市場的30周年時，這個長久以來的問題已經過了無數次的解答。如果沒有DSP以及它在音頻、圖像和多媒體處理方面的推動作用，就不會有“信息娛樂”內容，沒有智能手機或平板電腦，沒有互聯網，也沒有APP的生態系統。 TI的“玩具”技術不僅促使公司進入了一個新的業務領域，而且為TI、其競爭對手以及工具供應商的開發建立了舞臺，推動DSP技術進入了各種應用與市場。與此同時，傳統DSP器件遭遇了各種替代性信號處理平臺的競爭，包括有DSP特性的CPU、用微控制器與DSP核心配對使用的數字信號控制器、用于為數字信號處理設計定制的數據路徑，甚至創建定制可編程處理器的FPGA，以及最新出現的有大量并行處理的圖形處理器，它可以解決數據并行問題。 DSP技術的起源要比Speak & Spell玩具早幾年。在上世紀70年代初期，科學家們開始采用市售的現成TTL分立邏輯芯片，實現專門的信號處理“引擎”。早期系統相對速度緩慢，占用空間大。TRW公司在1973年發布了第一款實用的并行乘法器，并在兩年后增加了位片(bit-slice)ALU。但僅乘法器芯片就要數百美元，唯一能買得起這種產品的客戶只有研究實驗室、醫療掃描設備制造商及軍隊。 1978年，American Micro- systems公司推出了第一款專門為DSP設計的單芯片IC：12位的S2811。AMI發明了一種真正創新性電路設計，但其芯片實現時采用了一種激進的“V槽”(V groove)MOS技術，而這種技術從未用于量產的商業產品。 第二年，英特爾公司推出了Intel2920 16位“模擬信號處理器”，起這個名稱是因為英特爾要設計一種用于直接替換模擬電路的芯片，包括了板上的A/D和D/A轉換器。2920以數字形式處理模擬信號，但它缺少一個并行乘法器；此外，它600ns的周期速度太慢，無法在音頻段做出有用的工作，而音頻段是第一個大批量DSP芯片的市場。 第一只“真正”單芯片的DSP出現在上世紀80年代初，由貝爾實驗室和NEC推出， 市場分析公司Forward Concepts將其定義為并行MAC(乘法器-加法器)電路。貝爾實驗室的芯片叫DSP-1，是一種用于AT&T與Western Electric設計中的容性器件。NEC的μPD7720是第一種真正量產、在商業市場上發售的單芯片DSP。盡管受制于粗糙的開發工具，NEC的芯片仍然可提供充足的速度，它用一個雙周期MAC實現122ns的周期時間，能夠在音頻段做一些有用的工作。 80年代末，理光公司的HiromitsuYagi為傳統的NMOS工藝重新設計了原AMI的S2811芯片。Yagi的工作結果是理光RD28211和AMIS28211。 TI加入游戲 在80年代，TI公司的Ed Caudel設計了后來成為該公司第一款DSP的初始架構。同年，Surendar Magar受雇圍繞DSP算法來優化架構。1982年2月，TI在傳統的“國際固態電路研討會”上以一篇《具有數字信號處理能力的一種微計算機》(參考文獻1)的論文將設計結果公諸于世。1982年4月，Caudel在巴黎召開的“音頻、語音與信號處理國際研討會”上宣布了最終產品—TMS32010。 推出Speak & Spell后(圖1)，TI公司繼續為各種行業開發DSP器件，但業務的關鍵以及對市場增長起決定性作用的，還是圍繞處理器所出現的生態系統。業界最早的DSP工程師之一Frantz說：“TI成為第一家擁有一款復雜的信號處理芯片的公司，也理解到器件本身并非產品，產品是器件加支持加開發環境加一條器件熱線。我們為客戶創造了一個產品，使他們可以將其用在自己的產品中。” 在早期年代，TI的DSP熱線是為客戶提供幫助的一個重要來源，尤其是很多情況下，回答電話問題的人正是被咨詢器件的架構師。Frantz說：“TI有一些非常大的客戶，我們接到這些大客戶從不同地區打來的電話，有六到七個不同區號。我們發現自己比他們還清楚他們公司在做什么東西。我們盡自己所能幫助他們發展。” 也有很多來自小型新興公司的電話，咨詢著相同的問題，而TI早在業內成員順應趨勢做出選擇以前， 就看到了正在形成的市場。Frantz指出，這以后幾年間，公司發明了下一代信號處理器，做出了客戶想要獲得的“瘋狂”東西。 在此過程中，TI一直牢記“三P價值”，即：性能(performance)、價格(pr ice)以及功耗(power di s -sipation)。Frantz說：“大多數人并不明白功耗是多么重要，但我們自60年代中期就一直致力于小功率器件技術，當時已經發明了計算器。” 初期，TI開始了它的第三方計劃，鼓勵有DSP專業能力的小型公司去“填充”TI無法照顧到的“空白”。Frantz將計劃描述為一個“價值網”，所有參與者都可以通過它獲得收益，同時擴展了現有的客戶支持網絡。 Fernando Mujica是TI系統架構實驗室主任，是分析嵌入式處理方面的專家，他從Frantz這些DSP先鋒手中接過了接力棒。Mujica說：“過去30年來，我們生活中的方方面面幾乎都受到了DSP的影響。現在，我們正看到DSP開始做嵌入分析工作，這是需要最高程度可編程性的一個不斷增長和發展的領域。現在，信號調整與壓縮技術都實現為硬編碼的加速器，并與DSP整合在現代的嵌入式處理器中。” 今天的DSP和其它嵌入式處理器承擔了以往需要人工干預的工作。相關例子是拓展了汽車安全功能的范圍，包括偏離車道警告和主動巡航控制等，這些已出現在高檔汽車中。這些系統已超出了便利功能范疇，它們會向駕駛者提出警告，乃至在緊急情況下做剎車或轉向操作。 Mujica表示：“在不久的將來，嵌入分析解決方案將使自動化駕駛成為一種現實(圖2)。機器人是另外一個即將出現革命性變化的領域，因為嵌入式處理器的性能在增長，它們已能完成復雜的分析任務。” 如要了解DSP如何整合到很多TI提供的方案中，可以看一下該公司基于KeyStone的高性能多核處理器、單核處理器，以及OMAP處理器(參考文獻2、3和4)。 小功率創新者 TI不是唯一一家在“三P價值”上推動DSP技術發展的公司。ADI公司以2001年開發的定點Blackfin處理器和90年代中期的浮點Sharc處理器，堅定不移地改進著功率/性能比。 隨著對處理精度的需求越來越高，設計者不斷地面臨著解決功率預算需求的難題。ADI公司處理器營銷總監Colin Duggan以及Blackfin產品經理Richard Murphy表示，ADI公司專注于現有功率的高效利用，從而獲得越來越緊湊的設計，可確保有更好的系統便攜性，占據最少空間，使得總體運行成本較低。他們指出，低功耗通常發熱低，有助于獲得更高的系統可靠性，減少了系統級與空間級的冷卻，從而節省了相關的功率、空間和成本。 對于電池供電設備，較低功率的處理器能延長系統電池的壽命和充電間隔，有助于減小系統尺寸和重量，保證了便攜能力。處理器功耗的下降也讓設計者可以使用較小的電池，最大限度地節省了功耗與空間。 剛剛發布的BF60x高性能系列以及前代Blackfin中都采用了DPM(動態電源管理)，開發人員可以將處理器功耗與程序執行時的處理需求相匹配(圖3)。20 01年10月，ADI率先將DPM應用于首款發布的Blackfin處理器中。小功率處理器延長了系統電池的壽命，有助于減小系統體積與重量。 Blackfin處理器中采用的其它設計技術包括：可編程電壓以及頻率縮放；時鐘周期分辨率的動態時鐘門控；多電源域，支持深度睡眠與冬眠模式；高代碼密度，盡量減少了激活總線的能量；采用混合閾值電壓晶體管，獲得了最佳性能與功率效率；一個最高能效的全定制處理器核心；審慎采用硬件加速器；以及支持亞穩態SDRAM，使板級功耗降至最低。 在浮點方面，ADI仍牢記低功耗技術，設計出了最新的Sharc 2147x。該處理器有5Mbit片上內存，設計者可以將功率存儲起來，以備擴展將數據移動到外存和其它處理器。該系列的集成內存與并行處理特性能夠提高性能，確保算法和程序執行得更快，從而得到了凈功耗下降的好處。 兩兩比較(均在的典型功耗)有助于ADI做出方案。在Sharc系列中，ADSP-21261在150MHz時功耗為900mW，200MHz時為1.2W；與之相比，最新的ADSP-2147x系列在150MHz時功耗180mW，在266MHz時功耗363mW。在Blackfin系列中，BF527在600MHz時的核心功耗為205mW，待機功耗為10mW，而冬眠模式耗電大約為40μA；最新的BF592在300MHz時提供88mW的動態功耗，待機功耗不到1mW，冬眠耗電為20μA。該公司最高性能的Blackfin BF609有兩個500MHz核心，在1GHz時耗電400mW。 Duggan和Murphy指出，ADI的節電特性提供了靈活的控制，更新的工藝尺度有更高的功率效率。他們補充說，該公司的設計者都了解其DSP所要滿足的應用的功率包絡。 ADI的目標是，盡可能在應用的一個特定功率包絡中獲得最高的性能。用戶可編程PLL，可調降自身系統時鐘的外設，以及當某些外設不工作時關閉任何時鐘域的能力等，都可以節能。其它節能方案包括：采用高效的總線架構，盡量增加設計中采用高閾值電壓晶體管的百分比(一般為93%)，以及使用PVP(流水線視覺處理器)做為加速器。 Microchip的DSC Microchip Technology公司的數字信號處理采用了另一種方案：DSC(數字信號控制器)。第一款芯片是用一個DSP與一只8位微控制器配對。然后，Microchip的工程師在一個PIC微控制器中集成了一個DSP核心，這就是2002年面世的16位dsPIC(參考文獻5)。 可縮放的dsPIC解決方案提供了專利的微控制器式中斷處理，可用于實時控制，據Microchip稱，用DSP做實時控制一直面臨著挑戰(圖4)。DSC核心采用一種修改過的Harvard總線架構，有16位寬的數據路徑和24位寬的指令路徑；廣泛尋址模式；一個16×16位的通用寄存器集；一個靈活的軟件棧；單周期16×16乘法功能；帶雙端口SRAM的DMAC(直接內存訪問控制)；以及八個外設通道。 DSC的運行速度從30MIPS到70MIPS，用于數字電源、照明、電機控制、語音、生物計量、傳感器處理以及簡單濾波器等市場。芯片包含了用于語音處理的DAC、電機控制PWM、快速ADC，以及專門用于SMPS(開關電源)應用的ADC。Microchip公司稱這些器件具有高運放集成度，提供了微控制器般的“觀感”，設計者無需學習DSP設計或軟件就可以使用。 Microchip鼓勵從dsPIC到PIC24微控制器的無縫遷移，兩者的代碼與引腳兼容。同樣免費的MPLABX集成開發環境可用于Microchip的8位、16位與32位微控制器及其DSC。該公司稱其戰略是為工程師們提供簡單的解決方案，使應用開發人員(如數字電源)能夠方便地使用模擬友好的高度集成dsPIC。 轉向FPGA 從傳統DSP轉向基于FPGA的DSP硬件，這個過程會涉及一組新的設計技巧，以及對硬件的新理解。對于剛開始使用FPGA或DSP的開發人員，這種轉換可能是一個相當大的任務，它增加了設計日程的風險。高級經理Tom Hill為Xilinx編寫過一份白皮書《Xilinx DSP設計平臺：簡化FPGA在DSP中的使用》(參考文獻6)，其中給出了Xilinx的DSP開發套件設計思想，以簡化FPGA的采用，算法與硬件開發人員在用Xilinx器件開發DSP應用時，能快速地進入狀態。 Hill指出，在90年代時，Xilinx設計了用于DSP處理的4000 系列FPGA。客戶很快發現，他們可以用FPGA建立數字濾波器。大約1999年，時任Xilinx現場應用工程師的Bruce Newgard認為公司有一個很大的機會，但管理層需要一些有說服力的東西，才同意在Xilinx內部成立一個DSP部門。 2005年，Xilinx打造完成了一個DSP戰略，即與TI和MathWorks合作，為算法開發與設計實現引入FPGA/DSP協處理平臺和緊密集成的工具流。同一年，Forward Concepts估計，基于FPGA DSP解決方案的性能與靈活性可以應付20億美元的高性能DSP市場。Xilinx初期的目標市場是高增長的數字通信、MVI(多媒體、視頻與影像)，以及防務系統。這些領域加起來，要占到80%以上的高性能DSP市場份額。 Xilinx與MathWorks合作開發了SystemGenerator，這是業界第一個針對Xilinx FPGA的DSP插件。今天，SystemGenerator for DSP是采用FPGA做高性能DSP系統設計的一款領先高級工具。 Xilinx 稱， 使用System Generator，沒什么FPGA設計經驗的開發人員也可以快速地通過算法FPGA實現量產質量的DSP，所花時間只有傳統RTL開發的幾分之一。工具提供了系統建模以及從MathWorks Simulink的自動代碼生成，并集成了RTL、嵌入、IP、Matlab，以及一個DSP系統的硬件。System Generator for DSP是XilinxDSP目標設計平臺(Targeted DesignPlatform)的一個關鍵部分。 Xilinx已轉換了自己的業務模型，從水平的FPGA供應商，變成為垂直的應用促進商，在不同的細分市場都有自己的業務。下一階段是由工具、IP、硅片和套件組成的面向算法的平臺。 Xilinx基于FPGA的DSP平臺現在可與真實世界的信號相連接，并有與高速數據轉換器的接口。數據會以極高速率采樣，然后下變頻，以簡化DSP硬件實現。Hill指出，FPGA通常用于處理接口和下變頻的系統，但40%的情況下會與DSP器件一起使用。 一些用戶對于使用基于FPGA的DSP存在著一些疑問，如技術的易用性以及設計流程的障礙等，因此在2011年1月，Xilinx買下了AutoESL。雙方結合，就是2012年1月的XilinxAutoESL，它使設計者能更容易地快速用FPGA實現DSP系統，并提供了向下一代AutoESL技術的一種更平滑轉換，這就是Vivado High-Level Synthesis 2012.2(參考文獻7)。隨著Vivado設計套件的推出，VivadoHigh-Level Synthesis(高級綜合)能夠讓開發人員將C、C++和System C直接應用于FPGA，而不需要手動創建RTL，從而加快了設計實現。 Hill指出，今天，如果你能用一只DSP做設計，客戶就會使用一只DSP；如果設計要求采用兩片或三片DSP，則FPGA就極有競爭力。對于高負荷的濾波，FPGA具有優勢。FPGA能完成無線、雷達與軍用聲納對抗中的上/下變頻和數字預校正。醫療影像是另外一個重要領域，如有些CT掃描與擁有256個以上傳感器的超聲設備。 3 月份，Xilinx 推出了Zynq -7000，宣稱在一只器件上集成了“全部可編程的”SoC，它提供ASIC式的性能與功耗、FPGA的靈活性，以及微處理器的編程簡便性(圖5)。Zynq-7000生態系統包括硬件與軟件開發工具，以及操作系統。 Hill預測說，未來FPGA將是可編程ASSP的基礎，后者在某些市場領域上將替代TI公司DaVinci數字多媒體處理器這類器件。 不承認支持DSP算法與架構開發的工具供應商，就無從談起DSP的歷史。 |
