DSP(digital singnal processor)是一種獨特的微處理器，有自己的完整指令系統，是以數字信號來(lái)處理大量信息的器件。一個(gè)數字信號處理器在一塊不大的芯片內包括有控制單元、運算單元、各種寄存器以及一定數量的存儲單元等等，在其外圍還可以連接若干存儲器，并可以與一定數量的外部設備互相通信，有軟、硬件的全面功能，本身就是一個(gè)微型計算機。

 

DSP采用的是哈佛設計，即數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)分開(kāi)，使程序和數據分別存儲在兩個(gè)分開(kāi)的空間，允許取指令和執行指令完全重疊。也就是說(shuō)在執行上一條指令的同時(shí)就可取出下一條指令，并進(jìn)行譯碼，這大大的提高了微處理器的速度。另外還允許在程序空間和數據空間之間進(jìn)行傳輸，因為增加了器件的靈活性。

 

其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號，再對數字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實(shí)際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運行速度可達每秒數以千萬(wàn)條復雜指令程序，源源超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。

 

DSP芯片，由于它運算能力很強，速度很快，體積很小，而且采用軟件編程具有高度的靈活性，因此為從事各種復雜的應用提供了一條有效途徑。其主要應用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現各種數字信號處理算法。根據數字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：

 

(1) 在一個(gè)指令周期內可完成一次乘法和一次加法;

(2) 程序和數據空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)指令和數據;

(3) 片內具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨立的數據總線(xiàn)在兩塊中同時(shí)訪(fǎng)問(wèn);

(4) 具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉的硬件支持;

(5) 快速的中斷處理和硬件I/O支持;

(6) 具有在單周期內操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器;

(7) 可以并行執行多個(gè)操作;

(8) 支持流水線(xiàn)操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。

 

當然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。

 

DSP優(yōu)勢在于其有獨特乘法器，一個(gè)指令就可以完成乘加運算，但GPP(通用處理器)處理一般是用加法代替乘法，要n多cpu周期，盡管cpu主頻很快，但還是要相當時(shí)間，這一點(diǎn)現在的GPP已經(jīng)基本上可以做到內部單周期運算乘加指令了。

 

數字信號處理是一種通過(guò)使用數學(xué)技巧執行轉換或提取信息，來(lái)處理現實(shí)信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。

 

 

 

ARM ( Advanced RISC Machines )，既可以認為是一個(gè)公司的名字，也可以認為是對一類(lèi)微處理器的通稱(chēng)，還可以認為是一種技術(shù)的名字。1991 年 ARM 公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術(shù)的授權。目前，采用 ARM技術(shù)知識產(chǎn)權( IP )核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的 ARM 微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，基于 ARM 技術(shù)的微處理器應用約占據了32 位 RISC 微處理器75%以上的市場(chǎng)份額， ARM 技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。 ARM 公司是專(zhuān)門(mén)從事基于 RISC 技術(shù)芯片設計開(kāi)發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權供應商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而是轉讓設計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買(mǎi)其設計的 ARM 微處理器核，根據各自不同的應用領(lǐng)域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的 ARM 微處理器芯片進(jìn)入市場(chǎng)。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用 ARM 公司的授權，因此既使得 ARM 技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費者所接受，更具有競爭力。

 

ARM最大的優(yōu)勢在于速度快、低功耗、芯片集成度高，多數ARM芯片都可以算作SOC，基本上外圍加上電源和驅動(dòng)接口就可以做成一個(gè)小系統了。

 

基于A(yíng)RM核心處理器的嵌入式系統以其自身資源豐富、功耗低、價(jià)格低廉、支持廠(chǎng)商眾多的緣故，越來(lái)越多地應用在各種需要復雜控制和通信功能的嵌入式系統中。

 

由于兩大處理器在各自領(lǐng)域的飛速發(fā)展，如今兩者中的高端或比較先進(jìn)的系列產(chǎn)品中，都在彌補自身缺點(diǎn)、且擴大自身優(yōu)勢，從而使得兩者之間的一些明顯不同已不再那么明顯了，甚至出現兩者部分結合的趨勢(如ARM的AMBA總線(xiàn)，可以把DSP或其他處理器集成在一塊芯片中;又如DSP中的兩個(gè)系列OMAP和達芬奇系列，就是直接針對兩者的廣泛應用而將兩者結合在一起，從而最大發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢)，另外，兩者各自不同系列的產(chǎn)品側重點(diǎn)也不盡相同，所以這里討論的是一些傳統意義上比較。

 

 

ARM具有比較強的事務(wù)管理功能，可以用來(lái)跑界面以及應用程序等，其優(yōu)勢主要體現在控制方面，它的速度和數據處理能力一般，但是外圍接口比較豐富，標準化和通用性做的很好，而且在功耗等方面做得也比較好，所以適合用在一些消費電子品方面;

 

而DSP主要是用來(lái)計算的，比如進(jìn)行加密解密、調制解調等，優(yōu)勢是強大的數據處理能力和較高的運行速度。由于其在控制算法等方面很擅長(cháng)，所以適合用在對控制要求比較高的場(chǎng)合，比如軍用導航、電機伺服驅動(dòng)等方面。

 

如果只是著(zhù)眼于嵌入式應用的話(huà)，嵌入式CPU和DSP的區別應該只在于一個(gè)偏重控制一個(gè)偏重運算了。

 

 

內核源碼開(kāi)放的Linux與ARM體系處理器相結合，可以發(fā)揮Linux系統支持各種協(xié)議及存在多進(jìn)程調度機制的優(yōu)點(diǎn)，從而使開(kāi)發(fā)周期縮短，擴展性增強。

 

 

DSP的優(yōu)勢主要是速度，它可以在一個(gè)指令周期中同時(shí)完成一次乘法和一次加法，這非常適合快速傅立葉變換的需求。DSP有專(zhuān)門(mén)的指令集,主要是專(zhuān)門(mén)針對通訊和多媒體處理的;而ARM使用的是RISC指令集(當然ARM的E系列也支持DSP指令集)是通用處理用的。

 

 

單片機為了存儲器管理的方便(便于支持操作系統)，一般采用指令、數據空間統一編碼的馮·諾依曼結構。 DSP為了提高數據吞吐的速度，基本上都是指令、數據空間獨立的哈佛結構。

 

單片機對于數字計算方面的指令少得多，DSP為了進(jìn)行快速的數字計算，提高常用的信號處理算法的效率，加入了很多指令，比如單周期乘加指令、逆序加減指令(FFT時(shí)特別有用，不是ARM的那種逆序)，塊重復指令(減少跳轉延時(shí))等等，甚至將很多常用的由幾個(gè)操作組成的一個(gè)序列專(zhuān)門(mén)設計一個(gè)指令可以一周期完成(比如一指令作一個(gè)乘法，把結果累加，同時(shí)將操作數地址逆序加1)，極大的提高了信號處理的速度。由于數字處理的讀數、回寫(xiě)量非常大，為了提高速度，采用指令、數據空間分開(kāi)的方式，以?xún)蓷l總線(xiàn)來(lái)分別訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)空間，同時(shí)，一般在DSP內部有高速RAM，數據和程序要先加載到高速片內ram中才能運行。DSP為提高數字計算效率，犧牲了存儲器管理的方便性，對多任務(wù)的支持要差的多，所以DSP不適合于作多任務(wù)控制作用。

 

 

GPP不是設計來(lái)做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現代的GPP，也要求多個(gè)指令周期來(lái)做一次乘法。而DSP處理器使用專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)實(shí)現單周期乘法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來(lái)處理多個(gè)乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱(chēng)為結果bits的額外bits來(lái)避免溢出。同時(shí)，為了充分體現專(zhuān)門(mén)的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。

 

 

傳統上，GPP使用馮.諾依曼存儲器結構。這種結構中，只有一個(gè)存儲器空間通過(guò)一組總線(xiàn)(一個(gè)地址總線(xiàn)和一個(gè)數據總線(xiàn))連接到處理器核。通常，做一次乘法會(huì )發(fā)生4次存儲器訪(fǎng)問(wèn)，用掉至少四個(gè)指令周期。
 

大多數DSP采用了哈佛結構，將存儲器空間劃分成兩個(gè)，分別存儲程序和數據。它們有兩組總線(xiàn)連接到處理器核，允許同時(shí)對它們進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍，更重要的是同時(shí)為處理器核提供數據與指令。在這種布局下，DSP得以實(shí)現單周期的MAC指令。

 

還有一個(gè)問(wèn)題，即現在典型的高性能GPP實(shí)際上已包含兩個(gè)片內高速緩存，一個(gè)是數據，一個(gè)是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運行時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)速度。從物理上說(shuō)，這種片內的雙存儲器和總線(xiàn)的結構幾乎與哈佛結構的一樣了。然而從邏輯上說(shuō)，兩者還是有重要的區別。

 

GPP使用控制邏輯來(lái)決定哪些數據和指令字存儲在片內的高速緩存里，其程序員并不加以指定(也可能根本不知道)。與此相反，DSP使用多個(gè)片內存儲器和多組總線(xiàn)來(lái)保證每個(gè)指令周期內存儲器的多次訪(fǎng)問(wèn)。在使用DSP時(shí)，程序員要明確地控制哪些數據和指令要存儲在片內存儲器中(CMD文件的編寫(xiě))。程序員在寫(xiě)程序時(shí)，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線(xiàn)。

 

此外，DSP處理器幾乎都不具備數據高速緩存。這是因為DSP的典型數據是數據流。也就是說(shuō)，DSP處理器對每個(gè)數據樣本做計算后，就丟棄了，幾乎不再重復使用。
 

3 零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)
 

如果了解到DSP算法的一個(gè)共同的特點(diǎn)，即大多數的處理時(shí)間是花在執行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數的DSP都有專(zhuān)門(mén)的硬件，用于零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)。所謂零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)是指處理器在執行循環(huán)時(shí)，不用花時(shí)間去檢查循環(huán)計數器的值、條件轉移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計數器減1(逆序加減指令)。

 

與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來(lái)實(shí)現。某些高性能的GPP使用轉移預報硬件，幾乎達到與硬件支持的零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)同樣的效果。

 

 

大多數DSP使用定點(diǎn)計算，而不是使用浮點(diǎn)。雖然DSP的應用必須十分注意數字的精確，用浮點(diǎn)來(lái)做應該容易的多，但是對DSP來(lái)說(shuō)，廉價(jià)也是非常重要的。定點(diǎn)機器比起相應的浮點(diǎn)機器來(lái)要便宜(而且更快)。為了不使用浮點(diǎn)機器而又保證數字的準確，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計算、舍入和移位。

 

 

DSP是否將作為手機的心臟生存下去，目前的爭論非常激烈。今天的手機生產(chǎn)采用的是雙核方式：DSP芯片處理通信，如調制解調器功能和語(yǔ)音處理等;一塊通用處理器(通常是ARM設計的RISC處理器)負責處理手機上運行的各種程序，如用戶(hù)界面和控制協(xié)議堆棧等。隨這兩種處理器的功能日益強大，或許它們中的一方將會(huì )接管另一方目前執行的功能。但問(wèn)題在于：是ARM取代DSP，還是DSP擠掉ARM？

 

如果將這三者結合起來(lái)，即由DSP結合采樣電路采集并處理信號，由ARM處理器作為平臺，運行Linux操作系統，將經(jīng)過(guò)DSP運算的結果發(fā)送給用戶(hù)程序進(jìn)行進(jìn)一步處理，然后提供給圖形化友好的人機交互環(huán)境完成數據分析和網(wǎng)絡(luò )傳輸等功能，就會(huì )最大限度的發(fā)揮三者所長(cháng)。