電子設(shè)備應(yīng)用越來越多地涉及信號處理。家庭影院，計算機圖形學，醫(yī)學成像和電信都依賴于信號處理技術(shù)。信號處理需要在復(fù)雜但重復(fù)的算法中進行快速數(shù)學運算。并且許多應(yīng)用需要實時計算：即，信號是時間的連續(xù)函數(shù)，必須對其進行采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字，以進行數(shù)值處理。因此，處理器必須執(zhí)行在樣本到達時對樣本執(zhí)行離散計算的算法。

數(shù)字信號處理器（DSP）的架構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，可以處理這些算法。良好的信號處理引擎的特征包括：快速，靈活的算術(shù)計算單元（例如，乘法器，累加器，桶形移位器）;無限制的數(shù)據(jù)流入和流出計算單元;計算單元中的擴展精度和動態(tài)范圍（以避免溢出并最小化舍入誤差）;雙地址生成器（用于同時處理二元運算的兩個輸入）;高效的程序排序（包括有效處理循環(huán)和中斷的能力）;

DSP具有與精簡指令集計算機（RISC）相同的一些功能。此外，兩者都圍繞某些核心指令構(gòu)建，使它們能夠以非常高的指令速率運行;并且都避開了內(nèi)部微碼。然而，它們是根本不同的“動物”。 RISC和DSP之間的差異在處理器的

中最為明顯

計算單位

數(shù)據(jù)地址生成器

內(nèi)存架構(gòu)

中斷功能

循環(huán)硬件

< li>條件指令

接口功能

DSP屬于兩個基本類：定點，一個（通常）基于16位架構(gòu)16位整數(shù)數(shù)據(jù)類型和浮點，通常采用32位架構(gòu)，基于具有尾數(shù)和指數(shù)的數(shù)據(jù)類型。

計算單位：DSP都包含并行硬件乘法器以支持單周期乘法，它們的乘法器通常在一個周期內(nèi)組合乘法和累加。 DSP具有專用的累加器，其寄存器明顯寬于標稱字大小，以保持精度 - 例如，32位ADSP-2106x SHARC系列中的80位（圖1）。與ADSP-21xx系列一樣，硬件可能支持從累加器溢出中恢復(fù)。此外，DSP都包含全功能的算術(shù)邏輯單元（ALU），與乘法器無關(guān)。

ALU可能具有特殊功能，例如同時產(chǎn)生的能力用于在時域和頻域之間轉(zhuǎn)換信號的快速傅里葉變換（FFT）算法中加速內(nèi)核例程的和和差。高級DSP將在計算單元中包含飽和邏輯，以防止數(shù)據(jù)溢出。它還可以提供零開銷（即，不需要額外的時鐘周期）陷阱來中斷算術(shù)異常的例程。

復(fù)雜的DSP還可以包含單周期桶形移位器（即，能夠在一個時鐘周期內(nèi)向左或向右移位字的字段），具有優(yōu)先級編碼器數(shù)據(jù)縮放，數(shù)據(jù)壓縮/擴展或打包/解包和位操作。它還可以包括專用硬件，以最小化快速劃分，平方根和超越函數(shù)計算所需的時間。在RISC處理器上找不到具有這些專用功能的計算元素。

地址生成：高效的DSP將使其計算單元保持至少兩個獨立數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù) - 地址生成器。抽頭延遲線和系數(shù)緩沖器是DSP的特征，但在通用計算中大多是未知的。高效的DSP需要循環(huán)緩沖硬件來支持緩沖區(qū)。循環(huán)緩沖區(qū)指針需要在每個周期更新而不會產(chǎn)生開銷。此外，緩沖區(qū)結(jié)束的比較測試需要無延遲命令來重置緩沖區(qū)末尾的指針。另一方面，RISC處理器需要額外的周期進行每次比較測試。

存儲器架構(gòu)：DSP通常支持與通用計算系統(tǒng)不同的系統(tǒng)存儲器架構(gòu)。 DSP采用哈佛架構(gòu)，允許持續(xù)單周期訪問來自兩個不同外部存儲器的兩個字數(shù)據(jù)。例如，ADI公司的SHARC DSP具有片上集成的2或4 Mbits雙端口SRAM。這個存儲器是直接尋址的 - 而不是像RISC處理器中那樣的緩存。對于CPU來說，這個片上存儲器看起來像一塊獨特的存儲器，而不僅僅是系統(tǒng)中其他地方的高速存儲器復(fù)制品。原因是DSP通常是嵌入式處理器。它們的片上存儲器通常足以包含任務(wù)所需的完整，重復(fù)的DSP程序。每個存儲器模塊都是雙端口，用于核心處理器和I / O處理器或DMA控制器的單周期獨立訪問（圖2）。雙端口存儲器和獨立的片上總線允許兩個數(shù)據(jù)傳輸來自內(nèi)核，一個來自I / O，所有這些都在一個周期內(nèi)完成。

中斷功能：由于DSP旨在用于實時系統(tǒng)，因此高效，復(fù)雜且可預(yù)測的中斷處理對DSP至關(guān)重要。 RISC處理器采用高度流水線架構(gòu)，往往具有較慢的中斷響應(yīng)時間和有限的中斷能力。上下文切換應(yīng)該非常快。高級DSP，如新型ADSP-21csp01和ADI公司的ADSP-2106x浮點系列，支持完整的備用寄存器，允許單周期上下文切換支持中斷處理。 （寄存器文件窗口的不同之處在于它的目的是加速參數(shù)傳遞，而不是保存整個上下文。）

除內(nèi)部中斷外，高級DSP還將支持至少四個獨立的外部中斷。中斷延遲將保持幾個周期，并且必須是可預(yù)測的。中斷應(yīng)該是可嵌套的并且可以優(yōu)先排序。此外，應(yīng)該很容易實時啟用和禁用特定中斷。

硬件循環(huán)：高效循環(huán)對數(shù)字信號處理至關(guān)重要，因為信號處理算法是重復(fù)的。一個好的DSP將支持具有專用內(nèi)部硬件的零開銷循環(huán)。也就是說，芯片將監(jiān)視循環(huán)條件和終止以與所有其他操作并行決定 - 是否將程序計數(shù)器或分支遞增而沒有循環(huán)時間損失到循環(huán)的頂部。另一方面，RISC處理器必須在每個循環(huán)結(jié)束時進行測試和分支，每個循環(huán)和每個循環(huán)至少花費額外的周期。嵌套循環(huán)在信號處理算法中也很常見; DSP循環(huán)硬件應(yīng)支持至少四級嵌套循環(huán)的深度。 RISC處理器尚未發(fā)展以支持這些基本的信號處理需求。

條件執(zhí)行：數(shù)據(jù)相關(guān)執(zhí)行對于信號處理非常重要。因此，高級DSP（如ADSP-2100系列和ADSP-2106x SHARC浮點系列）支持大多數(shù)基本指令的條件執(zhí)行：在單條指令中，處理器測試條件代碼，如果為真，則在同一循環(huán)中執(zhí)行操作。這可以對計算密集型算法產(chǎn)生巨大影響。英特爾在i860上發(fā)現(xiàn)了這個問題，并添加了一個圖形單元來處理高性能Z緩沖所需的條件存儲操作。

接口：DSP在真實世界的信號上運行來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器，他們將結(jié)果發(fā)送到D / A轉(zhuǎn)換器。出于這個原因，DSP通常包含用于這些設(shè)備的廉價接口的串行端口。高級DSP添加硬件以提高操作效率，例如雙緩沖和自動緩沖。由于這些輸入/輸出信號可能來自非線性編解碼器，因此高級DSP可能具有用于零開銷A律和μ律壓縮擴展的專用硬件。此外，串行端口可能具有簡化與T1和CEPT數(shù)據(jù)傳輸線接口的功能。

SHARC串行端口旨在通過靈活的硬件最大化吞吐量，同時調(diào)整到各種信號類型。它們的功能包括：每個串行端口可以自動接收和/或發(fā)送整個數(shù)據(jù)塊，獨立發(fā)送和接收 - 每個都帶有數(shù)據(jù)緩沖寄存器以及移位寄存器，用于TDM的多通道模式。

編程注意事項：有一次，DSP和RISC之間的顯著差異在于它們的編程模型。 DSP本質(zhì)上是性能驅(qū)動的，因此DSP的編程主要是用匯編語言完成的，以便從處理器中獲得最佳性能。這對于定點DSP來說通常仍然如此，但使用ADSP-2100系列直觀的代數(shù)匯編語言則更容易實現(xiàn)（圖3）。在不犧牲性能的情況下，它改善了易用性問題，使許多程序員更喜歡C等高級語言。

另一方面，浮點DSP更多用高級語言有效編程。浮點計算避免使用C中不存在的小數(shù)數(shù)據(jù)類型。此外，體系結(jié)構(gòu)決策可能會影響編譯器效率。例如，ADSP-2106x SHARC系列的大型統(tǒng)一地址空間使編譯器的內(nèi)存分配更加容易。此外，它們大而靈活的寄存器文件提高了效率。

我們的產(chǎn)品戰(zhàn)略的核心是提供工具和DSP內(nèi)核，使我們能夠高效地編程高級別的固定和浮點DSP語言。這是ADSP-21csp背后的驅(qū)動力，ADSP-21csp是一系列新的并發(fā)信號處理器。盡管如此，雖然使用高級語言，DSP程序員必須能夠在語言級別下降（盡量減少痛苦），以提高時間關(guān)鍵程序的性能。

DSP設(shè)計越來越多地按照以下順序進行編程：首先，用高級語言編寫和調(diào)試軟件原型。該原型通常可以產(chǎn)生足夠的性能。然而，更一般地，需要提高性能，因此高級代碼在模擬中被直方圖化以找到需要最多執(zhí)行時間的部分。然后使用匯編語言對關(guān)鍵部分進行手工編碼。迭代直方圖和手動編碼過程，直到滿足性能目標。

雖然DSP和RISC之間的差異很多，但這兩種架構(gòu)往往會聚集在編程領(lǐng)域，這是由時間驅(qū)動的融合 - 推向市場以及DSP在應(yīng)用中的不斷發(fā)展的作用。熟悉快速開發(fā)工作C程序的程序員可以使用它們更快地將產(chǎn)品推向市場。同時，DSP采用更多系統(tǒng)管理功能，例如用戶界面或系統(tǒng)控制，并且需要提供高級語言效率，以便與之前分配這些控制任務(wù)的μC和RISC處理器競爭。