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DSP芯片

DSP芯片

DSP芯片（Digital Signal Processor），即数字信号处理器，是一种适合数字信号处理运算的微处理器，其实时运行速度高于通用的微处理器，主要应用于实现实时、快速的数字信号处理算法和复杂的控制算法等。DSP芯片具有高速运算能力、低功耗、易于集成、灵活性强等特点，因此在消费电子、自动化控制、通信、仪器仪表、军事及航空航天等方面都有它的身影。

DSP芯片一般由特殊的软硬件结构组成，内部通常采用程序和数据独立的哈佛结构，拥有专门的硬件乘法处理器，采用流水线操作和特殊的DSP指令对数字信号进行处理。它具有精度高，稳定性好，性能高速，可以编程，具有大规模集成性等优点。

1982年美国德州仪器推出世界上第一代DSP芯片，在实时数字信号处理领域实现重大突破。近年来，随着通信、计算机、消费电子等行业的发展，DSP在图形图像处理，语音处理，信号处理等通信领域起到越来越重要的作用，对DSP芯片的需求不断增长。2020年中国DSP芯片市场规模达到136.92亿元，增长率约为10%，2022年达到156.17亿元，同比增长6.8%。在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。

发展历程

问世

20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，DSP技术应运而生。在DSP芯片出现之前，数字信号处理只能依靠处理速度较低的微处理器，无法满足越来越大的信息量的高速实时要求，应用更快更高效信号处理方式的社会需求日渐迫切。70年代， DSP芯片的理论和算法基础已成熟，但仅仅停留在理论上，即使是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成，应用领域局限于军事、航空航天部门。

1978年，AMI公司发布世界上第一个单片DSP芯片S2811，但没有现代DSP芯片必备的硬件乘法器，1979年，美国英特尔公司发布了商用可编程器件2920，这是DSP芯片的一个主要里程碑，但其依然没有硬件乘法器。

首发

1980年，日本日本电气公司推出的MPD7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片，被认为是第一块单片DSP器件。

随着大规模集成电路技术的发展，1982年美国德州仪器（Texas Instruments，TI）推出世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品，这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，功耗和尺寸稍大，但运算速度快了几十倍。DSP 芯片的问世标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。

随着CMOS技术的进步与发展，日本的日立制作所公司在1982年推出一个基于CMOS工艺的浮点DSP芯片；1983年日本富士通株式会社公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。

迭代

至 80 年代中期，随着CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。

80年代后期，TI公司相继推出了二代和三代DSP芯片，运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。

90年代DSP发展快，TI公司相继推出四代、五代DSP芯片。第五代与第四代相比系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。

拓新

进入21世纪后，第六代DSP芯片横空出世。第六代芯片在性能上全面碾压第五代芯片，同时基于商业目的的不同发展出了诸多分支，并开始逐渐拓展新的领域。

产品规格

运算精度

一般情况下，浮点DSP芯片的运算精度要高于定点DSP芯片的运算精度，功耗和价格也随之上升。

一般定点DSP芯片的字长为16位、24位或者32位，浮点芯片的字长为32位。累加器一般都为32位或40位。

运算速度

MIPS（Million Instructions Per Second）：百万条指令/秒。

MOPS（Million Operations Per Second）：百万次操作/秒。操作包括CPU操作、地址计算、数据访问和传输、I/O操作等。

MFLOPS （Million Floating 小数点 Operations Per Second）：百万次浮点操作/秒。表征浮点DSP运算性能的重要指标。

MBPS （Million-bits Per Second）：百万位/秒。用于衡量DSP的数据传输能力，通常指总线或I/O的带宽，用于量度总线或I/O数据吞吐率。

ICY（Instruction Cycle）指令周期：执行一条指令所需时间，通常以纳秒（ns）为单位。

ACS（Multiply-Accumulates Per Second）乘加次数/秒：例如TMS320C6XXX乘加速度达300MMACS~600MMACS。

麦金塔（乘法器累加器，乘法累加时间），执行一次乘法和加法运算所花费的时间：大多数DSP芯片可以在一个指令周期内完成一次MAC运算。

FFT处理时间（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换处理时间）：即运算一个N点FFT程序所需的时间。

字长/数据宽度

一般浮点DSP芯片都用32位的数据字，大多数定点DSP芯片是16位数据字。而Motorola公司定点芯片用24位数据字，以便在定点和浮点精度之间取得折衷。

片内硬件资源

包括存储器的大小，片内存的数量，总线寻址空间等，几个重要的考虑因素是片内RAM和ROM的数量、可否外扩存储器、总线接口/中断/串行口等是否够用、是否具有A/D转换等。

功耗与电源管理

供电电压一般取得比较低，通常有3.3V、2.5V、1.8V、0.9V等，以实施芯片的低电压供电，在同样的时钟频率下，它们的功耗将远远低于5V供电电压的芯片。加强了对电源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式节省功率消耗。

基本结构

哈佛结构

DSP 芯片的内部采用哈佛结构，将程序与数据分开（如右图），并具有专门的硬件乘法器，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。哈佛结构将程序和数据分开存储在不同空间内，使程序存储器和数据存储器相互独立，并且独立编址、访问。两个存储器对应系统中设置的两条总线——程序总线和数据总线，从而提高了数据吞吐量。

新型的DSP大多设置了单独的直接存储器（DMA）访问总线及其控制器，在不影响或基本不影响DSP处理速度的情况下，并行的数据传输速度可以达到每秒百兆字节，主要受到片外存储器的限制。

结构特点

流水线操作

由于DSP通常采用程序存储器及其总线与数据存储器及其总线分开的结构，所以为采用流水技术提供了极大的方便。所谓流水技术，即将各指令的抄行时间重叠起来（如右图），第1条指令取指后，译码时便取指第2条指令；第1条指令访问数据时译码第2条指令，同时取指第3条指令……在该技术下可以实现指令的流水作业、综合分析、每条指令的执行时间在单周期内完成，大大提高了处理速度。

专用的硬件乘法器

DSP中设置了硬件乘法器（图示为Scion320C2XX的硬件乘法器结构）和麦金塔（乘法并累加）一类的指令，取两个操作数到乘法器中作乘法，并将乘积加到累加器中，这些操作往往可以在单个指令周期中完成。在数字信号处理算法中，大量存在着诸如乘法和累加的运算，使得 DSP 乘法和累加这种基本运算的速度大为提高。

特殊的DSP指令

采用特殊的指令也是DSP芯片的又一结构特点，主要包括专门为实现数字信号处理的算法而设置的特殊指令，为了能够方便、快速地实现FFT算法，使得排序的速度大大提高。在卷积运算、数字波、快速傅氏变换、相关计算、矩阵运算等算法中，通过软件来实现这些算法的通用计算机，往往需要若干个机器周期才能完成。为了满足FFT、卷积等数字信号处理的特殊要求，当前的DSP大多在指令系统中设置了“循环寻址”（circular addressing）及“位倒序”（bit-reversed）指令和其它特殊指令，使操作这些寻址、排序及计算速度大大提高，单片DSP作1024点复数FFT所需时间已降到微秒量级。

快速的指令周期

哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。而TMS320系列处理器的指令周期已经从第一代的200ns降低至现在的20ns以下。快速的指令周期使得DSP芯片能够实时实现许多DSP应用，并实时完成许多DSP运算。

工作原理

DSP芯片通过将接收的模拟信号转换成数字信号，再对数字信号进行修改，删除，强化，并将数字数据解译回其他系统芯片中的模拟数据或实际环境格式，是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。

特点

性能特点

高效的信号处理能力：能够快速高效地完成数字信号处理任务。

大规模的数据处理能力：可以同时处理多个数据流，支持多通道数据处理，能够处理大规模数据。

专用的指令集和硬件加速器：通常具有专门的指令集和硬件加速器，能够高效地执行数字信号处理算法，提高处理速度。

高精度的运算和控制：支持高精度的数字运算和控制，包括高速乘法器和高精度数值处理单元等。

易于开发和调试：开发环境和调试工具友好，使开发者可以轻松地开发和调试数字信号处理应用。

可编程性：能够根据不同的应用场景进行编程，使其应用范围更加广泛。

技术特点

与传统的 CPU相比，DSP 芯片具有诸多的技术优点：

（1）程序空间和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；

（2）支持流水线操作，可以并行执行取值、译码、执行等操作；

（3）快速的中断处理和硬件I/O支持；

（4）在一个指令周期内一般至少可以完成一次乘法和一次加法:

（5）在单调周期内可以操作多个MAC地址生产器；

（6）具有快速 RAM，可以通过独立的数据总线在两块中同时访问；

（7）具有低/无开销循环及跳转的硬件支持。

产品优缺点

优点

DSP系统的基础是数字信号处理，所以具有其所有优点：①接口便捷：DSP应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备均相互兼容，所以系统接口兼容较为容易；②易于编程：DSP应用系统中使用了可编程的DSP芯片，设计人员在开发过程中可以对软件进行灵活地修改和升级；③可靠性好：DSP应用系统以数字信号处理为基础，只有0和1两种信号电平，受环境温度、噪音和电磁干扰的影响较小；④高精度和高速度：DSP系统精度取决于A-D转换的位数、DSP处理器的字长和算法设计等，而数字电路只要14位字长即可达到10-4。芯片的结构和集成电路的优化设计，缩短了其指令周期，能够实时完成许多运算；⑤可重复性好：数字系统基本不受元器件参数性能变化的影响，因此便于测试、调试和大规模生产；⑥可大规模集成：数字电路的集成度可以做到很高，具有体积小、功耗低、产品一致性好等优点；⑦运算能力强：数据处理能力强大，因采用哈佛结构分开存储程序和数据，允许重叠取指令和执行指令，提高了数据吞吐率，因此具有高度灵活性，可从事各种复杂应用。另外流水线机制能够支持密集的乘累加运算，可同时执行多条指令；⑧低功耗：DSP器件厂家采用CMOS工艺降低工作电压，设置IDLE、WAIT和STOP状态等手段大幅度降低DSP芯片的功耗，因此当前的DSP芯片具有低工作电压和低功耗的特点。

缺点

与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱。DSP基于数字处理，首先需要对模拟信号进行采样、量化，这样必然会引入量化噪声，因此必须考虑量化精度。对于简单的信号处理任务（如与模拟交换线的电话接口），若采用DSP则会增加成本。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题。此外，DSP技术的更新速度快，开发和调试工具还不尽完善。

产品分类

按基础特性分类

按照DSP芯片的工作时钟和指令类型来分，如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片；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引脚结构相互兼容，则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。

按数据格式分类

按照DSP芯片工作的数据格式来分，可分为定点DSP芯片与浮点DSP芯片。即数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片；以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。

按用途分类

按照DSP的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，比如TI公司的一系列DSP芯片，而专用的DSP芯片为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，比如数字滤波，卷积和FFT等。

应用领域

信号处理

主要用于实现对信号的采集、识别、变换、增强、控制等算法处理，是各类嵌入式系统的“大脑”。例如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。

通信

无线通信中由声音信号数字化所产生的大量数据，要依靠高性能的DSP\u0026FPGA来实现减少存储空间和传输带宽的要求，需要由DSP\u0026FPGA来完成的任务包括视频信号与音频信号的编码、解码、彩色空间转换、回音消除、滤波、误码校正、复用、bit流协议处理等。

音频处理

DSP芯片在音频设备中扮演重要角色，如音频编解码器、音频滤波器、音频合成器等。它们用于音频信号的采集、压缩、解码、滤波、均衡、混音等处理。例如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。

图像和视频处理

DSP芯片在图像和视频处理中广泛应用，如数码相机、摄像头、视频编解码器等，它们用于图像和视频的压缩、解码、增强、滤波、噪声去除、图像识别等处理。例如二维和3D软件处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。

工业控制

目前工业机器人广泛应用在工业控制领域，随着科技的发展，对机器人控制系统的性能要求也越来越高。机器人控制系统的重中之重就是实时性，机器人在完成一个动作的同时会产生较多的数据和计算处理，因此需要采用高性能的DSP。

汽车安全与无人驾驶领域

如今汽车电子系统日益繁荣，诸如装设的红外线和毫米波雷达将需要DSP进行分析。如今，汽车越来越多，安全防冲撞系统已成为研究热点；而且，利用摄像机拍摄的图像数据需要经过DSP处理，才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶人员参考。

军事

DSP功耗低、体积小、实时性反应速度的特性都是武器装备中特别需要的。如机载空空导弹，在有限的体积内装有红外探测仪和相应的DSP信号处理器等部分，完成目标的自动锁定与跟踪；再如先进战斗机上装备的目视瞄准器和步兵个人携带的头盔式微光仪，需用DSP技术完成图像的滤波与增强，智能化目标搜索捕获。DSP 技术还可用于自动火炮控制、巡航导弹、预警机、相控阵天线等雷达数字信号处理中。

仪器仪表

仪器仪表的测量精度和速度是一项重要的指标，使用DSP芯片开发产品可使这两项指标大大提高。DSP丰富的片内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电仪路，实现仪器仪表的SOC设计。

医疗

DSP芯片在医疗设备中具有广泛应用，如医学影像设备、生命体征监测设备、心电图仪等。它们用于信号滤波、图像处理、数据分析、实时监测等处理。例如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。

未来发展

DSP的集成

越来越多的器件需要内嵌DSP功能，实现形态包括：DSP核或硬件DSP单元。

向浮点算法转化

随着实时算法复杂度的增加、对更多字长江和记实业更大的动态范围的需求、产品开发和上市时间的缩短，以及浮点算法成本的不断下降，推动DSP定点算法向浮点算法转化。

低功耗

DSP并非运算性能越高越好，而是需要追求性能和功耗的平衡。很多应用场景中，系统的散热很重要，因此并不能一味追求主频高或多核，更多需要权衡低功耗需求。

更加重视安全

物联网时代，DSP对于软件IP保护和安全网络连接的需求在不断增长，未来会更加重视安全特性。

设计考虑多样

由于产品迭代越来越快，下游客户需要管理的代码越来越多，与此同时，客户在系统集成、测试、调试方面也面临较多的挑战，DSP在未来的设计中需考虑的要点将更为多样化。

DSP知名厂商及产品

知名厂商

美国德州仪器公司

美国德州仪器公司（Texas Instruments，简称TI）在1982年成功推出了其第一代DSP芯片Scion32010，这是DSP应用历史上的一个里程碑。其产品应用广泛，例如TMS320系列DSP芯片广泛应用于各个领域。

美国模拟器件公司

美国模拟器件公司（ADI），在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有 ADSP2101/2103/2105、ADSP2111/2115、ADSP2126/2162/2164、ADSP2127/2181 、ADSP-BF532以及Blackfin系列，浮点DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062，以及虎鲨TS101，TS201S。

Motorola公司

Motorola公司推出的DSP芯片比较晚。 1986年该公司推出了定点DSP 处理器MC56001；1990年，又推出了与IEEE浮点格式兼容的的浮点DSP芯片MC96002。还有DSP53611、16位DSP56800、24位的DSP563XX和MSC8101等产品。

Xilinx公司

Xilinx（赛灵思）是可编程逻辑完整解决方案的供应商，其水准全球领先。Xilinx研发、制造并销售范围广泛的高级集成电路、软件设计工具以及作为预定义系统级功能的IP（Intellectual Property）核。客户使用Xilinx及其合作伙伴的自动化软件工具和IP核对器件进行编程，从而完成特定的逻辑操作。

NXP公司

恩智浦半导体（NXP Semiconductors NV，NXPI）是一家鲜为人知但规模最大的电脑芯片公司之一，不只是生产用于个人电脑或智能手机的芯片，同时也生产用于汽车系统的芯片。

华为海思

华为是中国芯片研发的巨头，旗下设计麒麟芯片的海思半导体（Hisilicon）公司在芯片领域和5G领域持续取得突破，几乎成为中国芯片行业硕果仅存的一家。

上海贝岭公司

上海贝岭是一家由IDM模式转为无厂半导体公司模式的芯片设计厂商，定位为国内一流的模拟和数模混合集成电路供应商，通过一系列的产业并购和持续的研发投入不断加强集成电路产品业务的核心竞争力。

常见型号

目前常用型主流的dsp芯片有TI的TMS320F28035、TMS320F28334，恩智浦半导体公司MC56F82748MLH，亚德诺ADSP-BF512，毂梁微LS-T35等型号。其中毂梁微很多型号可替代TI全系列，并且使用的是纯自主正向设计，主频更高，功耗更低，安全性更高，芯片加密保护。

TI TMS320F28035

TMS320F28035具有60MHz频率、128KB闪存、CLA的C2000™32 位MCU，针对处理、感应和驱动进行了优化，可提高实时控制应用（如工业电机驱动器、光伏逆变器和数字电源、fcv和运输、电机控制以及感应和信号处理）的闭环性能，同时具有较高的模拟集成度，实现了单电源轨运行、双边沿控制（调频）。增设了具有 10 位内部基准的模拟比较器，可直接进行路由以控制PWM输出。

TI TMS320F28334

具有150MIPS、FPU、256KB闪存、EMIF、12位ADC的C2000™ 32位MCU，针对处理、感应和驱动进行了优化，可提高实时控制应用（如工业电机驱动器、光伏逆变器和数字电源、fcv和运输、电机控制以及感应和信号处理）的闭环性能，适用于具有严格要求的控制应用且高度集成的高性能解决方案。

恩智浦 MC56F82748MLH

MC56F82xxx DSP MCU系列面向高效数字电源转换（MC56F827xx）和高级电机控制（MC56F826xx）应用。在运行时具有出色的功耗，提供一半的功率和两倍的性能，适用于高能效应用，具有出色的性能、精度和控制力。通过限制用户代码访问为管理引擎访问保留的关键存储器位置和外设来提高系统安全性。

亚德诺 ADSP-BF512

ADSP-BF512是Blackfin处理器系列产品中的低成本切入点，完美均衡了性能、外设集成与价格，非常适合对成本极为敏感的应用，包括便携式测试设备、嵌入式调制解调器、生物识别，以及消费类音频产品。拥有高性能的16/32 bit Blackfin嵌入式处理器内核、灵活的高速CPU缓存架构、增强的DMA子系统，以及动态电源管理（DPM）功能。

毂梁微 LS-T35

“麓山”控制型DSP芯片LS-T35采用国内领先的正向设计技术，硬件和软件都可原位替换同档次进口芯片，并且进一步优化进口芯片的性能、功耗、可靠性等关键指标，消除进口芯片存在的数据安全漏洞和设计缺陷，自主可控，安全可靠，能够满足国产化替代急需，在汽车电机驱动与控制系统、工业电机与混频器、工业机器人、电力汽车传感器、光伏逆变器等领域都有广泛的应用。