处理器史话 | DSP独霸一方，靠得就是这些强大的算法

说到专用处理器，我们不得不讲一讲DSP，它强大的计算能力曾经一度让通用MCU望尘莫及。

数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSPs)，由大规模或超大规模集成电路心片组成的，用来完成某种信号处理任务的处理器。是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。随着集成电路技术和数字信号处理算法的发展，数字信号处理器的实现方法也在不断变化，处理功能不断提高和扩大。

(1) DSP芯片的特点
DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：

在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 快速的中断处理和硬件I/O支持。 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 可以并行执行多个操作。 支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

与通用微处理器相比，诸如Pentium或PowerPC的通用处理器（GPPs），DSP处理器有很大的区别，这些区别产生于DSPs的结构和指令是专门针对信号处理而设计和开发的，它具有以下特点。

DSPs的特点信息表

特点概述	详细描述
硬件乘法累加操作（MACs）	为了有效完成诸如信号滤波的乘法累加运算，处理器必需进行有效的乘法操作。 GPPs起初并不是为繁重的乘法操作设计的，把DSPs同早期的GPPs区别开来的第一个重大技术改进就是添加了能够进行单周期乘法操作的专门硬件和明确的MAC指令。
哈佛结构	DSPs一般使用哈佛结构。在哈佛结构中，有两个存储空间：程序存储空间和数据存储空间。处理器内核通过两套总线与这些存储空间相连，允许对存储器同时进行两访问，这种安排使处理器的带宽加倍。
零消耗循环控制	零消耗循环是指处理器不用花时间测试循环计数器的值就能执行一组指令的循环，硬件完成循环跳转和循环计数器的衰减。 DSP算法的共同特征：大部分处理时间花在执行包含在相对小循环内的少量指令上。因此，大部分DSP处理器具有零消耗循环控制的专门硬件。有些DSPs还通过一条指令的超高速缓存实现高速的单指令循环。
特殊寻址模式	DSPs经常包含有专门的地址产生器，它能产生信号处理算法需要的特殊寻址，如循环寻址和位翻转寻址。 循环寻址对应于流水FIR滤波算法，位翻转寻址对应于FFT算法。
执行时间的可预测性	大多数DSP应用都具有硬性实时要求，在每种情况下所有处理工作都必须在指定时间内完成。这种实时限制要求程序设计者确定每个样本究竟需要多少时间或者在最坏情况下至少用去多少时间。 DSPs执行程序的进程对程序员来说是透明的，因此很容易预测处理每项工作的执行时间。
具有丰富的外设	DSPs具有DMA、串口、Link口、定时器等外设。

(2) DSP芯片的分类
DSP芯片可以按照下列三种方式进行分类，如下图所示。

DSP分类图

各类型DSP芯片的描述

类型	描述	代表性芯片
工作时钟型	如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降。 这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片。	OKI 电气公司的DSP芯片 TI公司的TMS320C2XX系列芯片
指令型	如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容。 这类DSP芯片称为一致性DSP芯片。	TI公司的TMS320C54X
定点DSP芯片	绝大多数的DSP处理器使用定点算法，数字表示为整数或-1.0到+1.0之间的小数形式。 有些处理器采用浮点算法，数据表示成尾数加指数的形式：尾数×2指数。	TI：TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列 AD：ADSP21XX系列 AT&T：DSP16/16A Motolora：MC56000