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[分享] DSP的历史与无人再提DSP

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一粒金砂(中级)

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发表于 2019-2-11 14:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
     DSP(Digital Signal Processing)即数字信号处理技术,DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。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。

      在当今的数字化时代背景下, DSP 己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件,被广泛应用于数字控制、运动控制方面的应用主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制、电力系统控制、机器人控制、高精度伺服系统控制、数控机床等。面向低功耗、手持设备、无线终端的应用主要有手机、PDA、GPS、数传电台等。


先来了解一下DSP的历史
     20 世纪 60 年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。由于微处理器较低的处理速度不快,无法满足越来越大的信息量的高速实时要求,因此应用更快更高效的信号处理方式成了日渐迫切的社会需求,催生了DSP芯片的诞生。

     上世纪 70 年代, DSP 芯片的理论和算法基础已成熟。但那时的 DSP 仅仅停留在教科书上,即使是研制出来的 DSP 系统也是由分立元件组成的,其应用领域仅局限于军事、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芯片所必须有的硬件乘法器;


1979 年, 美国 Intel 公司发布了商用可编程器件 2920 是 DSP 芯片,但其依然没有硬件乘法器;


1980 年,日本 NEC 公司推出的 MPD7720 是第一个具有硬件乘法器的商用 DSP芯片,从而被认为是第一块单片 DSP 器件;

      1982年TI公司成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010,这是DSP应用历史上的一个里程碑,这种DSP 器件采用微米工艺 NMOS 技术制作,虽功耗和尺寸稍大,但运算速度却比微处理器快了几十倍,该系列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,从此DSP芯片开始得到真正的广泛应用。由于TMS320系列DSP芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点,所以逐渐成为目前最有影响、最为成功的DSP系列处理器。

在此后的发展历程中,DSP芯片运算速度、集成度和应用领域逐步得到扩展,在进入 21 世纪后,第六代DSP芯片的问世在性能上全面碾前几代芯片,同时基于不同的需求发展出了诸多个性化的分支,逐渐拓展更多新的领域。

      根据美国的权威资讯公司统计,目前 DSP 芯片在市场上应用最多的是通信领域, 占 56.1%;其次是计算机领域,占 21.16%;消费电子和自动控制占 10.69%;军事/航空占 4.59%;仪器仪表占 3.5%;工业控制占 3.31%;办公自动化占 0.65%。

DSP芯片的发展现状
     目前, DSP芯片国外制造商主要有3家:德州仪器(TI)、 模拟器件公司(ADI)和摩托罗拉(Motorola) 公司,其中 TI 公司独占鳌头, 占据绝大部分的国际市场份额, ADI 和摩托罗拉公司也有一定市场。

德州仪器(TI)
TI是世界上最知名的DSP芯片生产厂商,其产品应用也最广泛,TI公司生产的TMS320系列DSP芯片广泛应用于各个领域。

      目前,TI公司在市场上主要有TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000三大系列产品。C2000 系列现在所占市场份额较小,如今 TI 官网上的 DSP产品主要以 C6000 与 C5000 为主。 TI 的三大主力 DSP 产品系列为 C2000 系列主要用于数字控制、运动控制系统; C5000系列主要用于低功耗、便携的无线通信终端产品,其中 C5000 系列中的TMS320C54x 系列 DSP 芯片被广泛应用于通信和个人消费电子领域;C6000 系列主要用于高性能、多功能、复杂的通信系统。  


TI 公司的DSP产品主要应用范围在机器视觉、航空电子和国防、尺寸、重量和功耗(SWAP)、音频、视频编码/解码与生物识别领域。

美国模拟器件公司(ADI)

    ADI公司在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,其产品主要应用于语音处理、图像处理、过程控制、测控与测量等领域。


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。

摩托罗拉(Motorola)

摩托罗拉也是全球较大的 DSP 芯片生产商,其产品包括定点的和浮点的,专用的和通用的, 16 位和 24 位以及 32 位。 DSP 芯片主要应用于语音处理、通信、数字相机、多媒体、控制等领域。 主打产品有 DSP56000 系列、 DSP56800 系列、DSP56800E 系列、 MSC8100 系列、 DSP56300 系列等。

      对于国际领先的DSP大厂上面进行了介绍,现在说回国内在DSP芯片的发展情况。国内对DSP方面的研究起步较晚,但是发展还不算太慢。中电科14所和38所承担起研发DSP芯片的任务。


“华睿1号”
2012年,14所跟龙芯公司、清华大学合作开发国产DSP芯片“华睿1号”通过核高基专项组验收。“华睿1号”成功应用于14所十多型雷达产品中,创造了当时国产多核DSP芯片产品应用的“三个之最”:雷达装备应用型号最多、单台套应用数量最多和总应用数量最多。

“华睿1号”是由国内自主创新研发的专用DSP芯片,“华睿1号”的研制成功填补了我国在多核DSP领域的空白,对提高我国高端芯片的自主研发能力、提升我国电子整机装备研制水平、保障国家信息安全等方面具有指导意义。

“华睿1号”在处理系统设计方面采用了DSP和CPU多核架构设计技术,实测表明,“华睿1号”的处理能力和能耗具有明显优势,运行多任务实时操作系统十分稳定,芯片的整体技术指标达到或优于国际同类产品水平。

“魂芯一号”
此外,在2012年11月中国电子集团第38所吴曼青团队成功研制出“魂芯一号”,“魂芯一号”是一款32位静态超标量处理器,属于DSP第二发展阶段的产品。该芯片基于55nm制作工艺实现的,具有完全自主知识主权。

“魂芯一号”广泛应用于物联网、通讯、国防安全和公共安全等领域,其成功应用打破了国外高端数字信号处理芯片对中国高性能计算领域的垄断。“魂芯一号”使中国雷达数字系统有了“中国芯”,实现了重大跨越。

“华睿2号”
去年,“华睿2号”作为国家“十二五”核高基重大专项高端芯片项目通过验收,此次通过“核高基”验收的“华睿2号”DSP芯片为全自主设计,标志着我国在高端DSP研制领域再次取得重大突破。

“华睿2号”芯片采用40纳米工艺,8核异构设计,专门适配反隐身算法,工作主频为1GHz,每秒可完成4000亿次浮点运算,支持64位标准双精度,综合处理性能优于国际主流DSP芯片。

“华睿2号”共历经4年研制和2年应用验证,突破了多核异构架构、自主指令集、动态可重构以及矢量化编译等10余项核心技术,取得发明专利、布图设计和软件著作权等知识产权40余项。华睿2号共集成了4个通用DSP核和4个创新的可重构核,支持典型信号处理算法加速。

同时面向不同性能需求的应用,形成了“华睿2号”高端、中端等系列化产品,在安防监控、安全计算机等民用领域和雷达、通信、电子对抗等军用领域全面推广应用。这也是国内第一次在高端芯片上取得如此多的专利。而且“华睿2号”还能支持人工智能运算,有将近万亿次运算能力,可为如今兴起的人工智能提供巨大助力。


“魂芯二号A”
同样在去年,中国电科38所通过对“魂芯一号”在实际使用过程中的不断迭代和磨合,完成了“魂芯”家族的第二代产品——“魂芯二号A”的设计。

“魂芯二号A”采用全自主体系架构,通过单核变多核、扩展运算部件、升级指令系统、扩大存储容量、加大数据并行、丰富调试手段、扩展应用领域等手段,使器件性能千亿次浮点运算同时,具有相对良好的应用环境和调试手段。单核性能超过当前国际市场上同类处理核的4倍,其可与高速ADC、DAC直接互连,具备相关时序接口,可以实现P波段射频直采软件无线电处理形态。

作为通用DSP处理器,“魂芯二号A”将广泛运用于雷达、电子对抗、通信、图像处理、医疗电子、工业机器人等高密集计算领域。目前,正在多种重大装备以及图像处理领域中推广使用。

“魂芯二号A”相对于“魂芯一号”,性能提升了6倍,单核实现1K点FFT仅需1.6us,运算效能比TI公司TMS320C6678高3倍,实际性能为其1.7倍。魂芯DSP核是当前市场上性能最高DSP核,实现了市场上同类产品性能指标的超越,目前荣获国家技术发明专利、软件著作权等科技成果共计30余项。


“魂芯二号A”的推出,使得软件无线电从理想走向现实,人们梦想着系统功能主要取决于软件算法成为可能,同时为我国建立自主体系高端DSP产品谱系奠定坚实基础。

DSP未来发展趋势
通过上面对于DSP的介绍可以发现,DSP技术的发展趋势向系统集成DSP方向发展,在一个芯片上集成DSP芯核、MPU芯核、外围电路单元、专用处理单元和存储单元等。

此外,DSP技术未来的发展趋势还主要体现在 以下几个方面:

(1)更多的采用具备多通道、超标量、多处理、多线程、超长指令字等超级哈佛结构将在未来的DSP内核结构中占据主导地位。


(2)可编程的DSP将逐步取代定式的DSP。生产厂商可以在同一个DSP平台上开发不同类型的产品用来满足客户个性化的需求。可编程的DSP也使得用户升级系统更加方便。


(3)更好的性能、更快的运算速度是不变的趋势。


(4)定点DSP将成为主流。浮点DSP的运算精度高、动态范围大,但是成本高,功耗高。而定点DSP器件成本低、功耗低、对存储器的要求也低。目前DSP器件市场80%以上都属于16位定点可编程DSP器件。


(5)FPGA器件配合传统的DSP器件可以处理更多的信道,来达到高速实时处理功能,满足多媒体、无线通信等领域的需要。
  
(6)DSP与微处理器(MCU)结合起来的双核平台,由于既能进行数据处理,又可以提高智能控制,成为DSP技术发展的新趋势。OMAP是这种双核平台的典型例子,是由TI公司发布的。


DSP产品在我国拥有广阔的市场,众多国内外厂商开始在中国布局。DSP芯片的品种和技术将向着越来越多种类、低功耗、高性能方向发展。

DSP技术发展至今,在很多人看来,DSP已经到了英雄迟暮的地步,就实际而论,Freesacle、ADI、NXP已经停掉了新技术研发,而当前从大的方面说国际企业大概只剩下TI一家扛着DSP的大旗,国内中电科在此有所探索和收获。


在很多人看来,近十年来,ARM和Intel的发展幅度已经远远超过了DSP。但在工业领域,DSP的应用还是占有很重要的位置。

但可以预见的是,将一些能实现基本数字信号处理功能的DSP模块嵌入的FPGA芯片是数字电路设计的另一个大趋势。

有些公司已经或计划把基于ASIC的微处理器或DSP芯核与可编程逻辑阵列集成组合在一块芯片上。FPGA提供的DSP性能已超过1280亿MAC每秒,大大高于目前主流供应商所能提供的传统DSP的性能。

其中,Xilinx作为世界可编程逻辑器件的领导厂商,据Xilinx提供的测试数据表明,Xilinx FPGA比业界最快的DSP运行要快100倍。因此,单个FPGA即可代替传统上所谓的DSP处理器阵列。


性能比较突出的还有QuickLogic公司推出的QuickDSP系列,它提供了嵌入式的DSP构件块和可编程的逻辑灵活性。这个新的系列除了提供以前的可编程的逻辑和存储模块外,还包括专用的乘加模块。这些合成的模块可以实现DSP功能。

因此可以预测,在不久的将来,单一的DSP或FPGA实现的数字系统会被DSP+FPGA的结构或嵌入DSP模块的FPGA设计结构所取代。



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一粒金砂(高级)

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发表于 2019-2-13 09:43 | 显示全部楼层
这么详细的历史介绍,真心不错啊,还有对未来的预测,真心点赞啦。


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