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DSP—數(shù)字化音頻領(lǐng)域的未來
DSP—數(shù)字化音頻領(lǐng)域的未來
`2000中南地區(qū)省級(jí)電視臺(tái)技術(shù)協(xié)會(huì)技術(shù)論文二等獎(jiǎng)《西部廣播電視》2000年第9期發(fā)表
隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的日益推進(jìn)， IT領(lǐng)域的科技成果越來越普遍的應(yīng)用于視音頻領(lǐng)域并大大的推動(dòng)了視音頻科技的進(jìn)步，其中DSP（Digital Signal Processor即數(shù)字信號(hào)處理器）在音頻領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用就是一個(gè)很好的例子。
傳統(tǒng)的模擬視音頻產(chǎn)品如今逐漸退出，采用數(shù)字化技術(shù)極其相應(yīng)產(chǎn)品已呈不可抵擋的趨勢。數(shù)字化的視音頻產(chǎn)品必將涉及將類比信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后加以傳輸?shù)膯栴}。而在這種轉(zhuǎn)換的過程中需要做大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此必須選擇運(yùn)算快速的微處理器才能完成實(shí)時(shí)(real-time)的數(shù)位信號(hào)處理。而市面上的微處理有成百上千種，各有其特色及對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場合，DSP以其特有的優(yōu)勢更加適合于完成上述任務(wù)。以下就從微處理器的硬件基本架構(gòu)，來說明DSP與傳統(tǒng)微處理器間的差異及其本身的優(yōu)勢。
DSP的優(yōu)勢
要了解DSP的優(yōu)勢，就必須明白DSP與傳統(tǒng)微處理器在硬件基本架構(gòu)上的不同。
Von Neumann與Harvard基本架構(gòu)
所有的微處理器都是由幾個(gè)基本的模塊所組成：運(yùn)算器以完成數(shù)學(xué)運(yùn)算、存儲(chǔ)器和解碼器以完成類比信號(hào)與數(shù)位信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。在程序中，在每一周期必須告知微處理器要做些什么。因此微處理器必須從儲(chǔ)存程序的存儲(chǔ)體取得控制指令與一些數(shù)據(jù)而加以運(yùn)算。但是對(duì)于所有的微處理器并不是使用相同的方法，一般來說可分成Von Neumann與Harvard二種基本架構(gòu)，同時(shí)又有取其二者優(yōu)點(diǎn)而衍生出多種的混合改良架構(gòu)，在增加存儲(chǔ)器與周邊裝置后，就成為能作為數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的微處理控制器。
Von Neumann結(jié)構(gòu)成為電腦發(fā)展上的標(biāo)準(zhǔn)已超過40年，基本結(jié)構(gòu)是非常簡潔，程序與數(shù)據(jù)二者能夠存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)映射空間（memory-mapped space），這種結(jié)構(gòu)的形成是基于大多數(shù)一般用途的程序要求，如x86系列。而其缺點(diǎn)是僅有一條總線來共享數(shù)據(jù)和程序地址，因此同一時(shí)間僅有一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元或是程序存儲(chǔ)單元能被進(jìn)行存取操作。
能在讀取執(zhí)行程序的同時(shí)訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間是有效加快數(shù)據(jù)處理的重要方法，Harvard結(jié)構(gòu)具有分離程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，兩根總線分別處理不同的地址單元，以確保數(shù)據(jù)和程序能同時(shí)并行的存取，以增加處理速度。這種分離的總線架構(gòu)可將程序執(zhí)行分成尋址、解碼、讀取、執(zhí)行四個(gè)工作階段，每一指令必須4個(gè)指令周期才能完成，并且同一時(shí)間可以有4個(gè)指令進(jìn)入微處理器內(nèi)處理，當(dāng)在第4個(gè)指令周期后，每一指令周期就有一個(gè)指令執(zhí)行，此時(shí)程式是以最高的效率的執(zhí)行。但需要指出的是，當(dāng)執(zhí)行選擇指令如跳躍或比較指令時(shí)，由于必須等到指令執(zhí)行產(chǎn)生的結(jié)果后，才知道要跳躍的位置與下一個(gè)指令，在此之前所輸入的指令會(huì)變的無效，而必須重新輸入新的指令，因此會(huì)產(chǎn)生所謂的選擇延時(shí)或選擇等待等現(xiàn)象，使得程式執(zhí)行效率大幅降低至與Von Neumann結(jié)構(gòu)差不多，所以一般當(dāng)程序需要大量的比較或跳躍語句的場合，如人機(jī)交互的介面（這是絕大多數(shù)PC機(jī)用戶的主要操作方式）等，Harvard架構(gòu)并不會(huì)比Von Neumann結(jié)構(gòu)有更好的性能。
毫無疑問，程序執(zhí)行速度的增加的同時(shí)硬件的成本也相應(yīng)的增加，分離的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間就需要兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)尋址和與程序?qū)ぶ返挠布涌凇Ｒ虼四馨l(fā)現(xiàn)在價(jià)格與性能間取得折衷的方法，才算是一個(gè)較佳的解決方案， 于是產(chǎn)生了Modified Harvard架構(gòu)，這種架構(gòu)僅有一個(gè)外部總線（以減少接口數(shù)），同時(shí)有程序與數(shù)據(jù)兩個(gè)內(nèi)部總線，可以減少成本并維持顧客對(duì)運(yùn)算速度的要求。
由此可見，在個(gè)人電腦這樣需要大量的選擇跳躍語句進(jìn)行人機(jī)交互的處理器還是選擇Von Neumann架構(gòu)（即傳統(tǒng)的CPU 如x86、Pentium等）更加的合理，而在數(shù)字視音頻領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的傳輸處理，并不需要大量的選擇語句時(shí)， Harvard架構(gòu)及Modified Harvard架構(gòu)就顯得更加的適合。
DSP的Modified Harvard架構(gòu)
DSP是屬于Modified Harvard架構(gòu)，即它具有兩條內(nèi)部總線，一個(gè)是數(shù)據(jù)總線，一個(gè)是程序總線；而傳統(tǒng)的微處理器內(nèi)部只有一條總線供數(shù)據(jù)傳輸與程序執(zhí)行使用； 從上面我們已經(jīng)看到Modified Harvard架構(gòu)在大量數(shù)學(xué)運(yùn)算方面有著強(qiáng)大的優(yōu)勢，在DSP內(nèi)部具有硬件乘法器，大量的寄存器，目前最快的可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成32bit乘32bit的指令，而傳統(tǒng)的微處理器運(yùn)算系以微代碼來執(zhí)行，遇到乘法運(yùn)算指令時(shí)就得消耗掉好幾個(gè)指令周期，加上傳統(tǒng)的微處理器中的寄存器較少，不得不經(jīng)常從外部儲(chǔ)存器傳輸數(shù)據(jù)來進(jìn)行運(yùn)算，而DSP指令具備重新執(zhí)行功能，因此在數(shù)學(xué)運(yùn)算速度超越一般傳統(tǒng)的微處理器。
例如當(dāng)執(zhí)行循環(huán)控制語句時(shí)，傳統(tǒng)的CPU會(huì)以某一暫存器當(dāng)初始循環(huán)數(shù)index，然后以比較跳躍的方式來達(dá)到循環(huán)控制的目的，此時(shí)程序會(huì)重復(fù)做比較運(yùn)算直至index為0；而DSP內(nèi)建硬體repeat count指令來直接對(duì)硬件決定下一個(gè)循環(huán)指令的執(zhí)行次數(shù)，如此可大量減少程式的執(zhí)行時(shí)間。
又如在做數(shù)字信號(hào)處理時(shí)最常出現(xiàn)乘加的運(yùn)算（如ax y），DSP針對(duì)此項(xiàng)需求而特別設(shè)計(jì)了一個(gè)硬件的MAC unit，使得在一個(gè)指令周期內(nèi)即可完成乘加的運(yùn)算，若再配合repeat指令，便可以將乘加運(yùn)算的速度大大提高。同時(shí)因?yàn)镈SP有分離的程序與數(shù)據(jù)的總線，所以一條指令能同時(shí)定址訪問程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，完成兩個(gè)變量的運(yùn)算。必須注意a為一維常量放在程序存儲(chǔ)單元，而X為一維變量放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；若系數(shù)a會(huì)隨程序運(yùn)算而變動(dòng)時(shí)，DSP內(nèi)建一小塊Dual-Access RAM (DARAM)的存儲(chǔ)區(qū)域，可由程序?qū)⒋藚^(qū)域設(shè)定為程序存儲(chǔ)區(qū)域或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，利用此存儲(chǔ)區(qū)域可完成可變系數(shù)的計(jì)算。
歸納起來DSP具備有以下的特點(diǎn)：(1)內(nèi)建乘法累加器；(2)指令管線化；(3)多總線與存儲(chǔ)空間；(4)循環(huán)尋址與位重新尋址；(5)零負(fù)荷循環(huán)運(yùn)算；(6)晶片內(nèi)含存儲(chǔ)體與存儲(chǔ)體介面。
DSP在音頻領(lǐng)域的應(yīng)用
由于不存在線形放大電路非理想傳輸函數(shù)所造成的失真缺點(diǎn)，運(yùn)算速度又比傳統(tǒng)微處理器快，DSP已普遍應(yīng)用于視音頻領(lǐng)域的合成、辨識(shí)與編碼；由于對(duì)硬盤存儲(chǔ)容量的要求日益提高，使得對(duì)VCM(VOICE COIL MOTOR)的定位精度的要求也越來越嚴(yán)謹(jǐn)，DSP IC已成為高容量硬盤機(jī)
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