DSP软件向桌面和嵌入式系统挑战

　　如何合理地安排数据流程，使之在DSP的各执行单元间无冲突地顺利执行，仍是DSP开发人员面临的一个非常重要的问题。由于设计的复杂性，将算法映射到DSP具体目标硬件上，尚不能采用高层次编程语言，必须使用汇编语言，并对器件的并行执行机制有十分清楚的了解。而这种局限于汇编语言的编程设计,正是提高软件开发效率的瓶颈。

　　90年代早期，嵌入式系统和桌面应用的开发人员曾面临相似的问题。当时为提高设计效率而采用的方法现在仍可借鉴使用。一个短期的解决方案是由编程人员自己解决这一问题。但是，编程人员相对短缺，而且DSP领域编程人员更为紧缺。在DSP开发时，可以考虑采用非DSP的编程人员，但这些人员一般倾向于使用桌面和嵌入式应用的开发工具。而DSP开发领域还没有类似的工具，这就阻碍了DSP应用的进一步推广。

　　开发相似，实质不同

　　即使采用了上述的开发工具，DSP还具有不同于RISC和CISC的独特特征。DSP处理能力不仅靠越来越快的时钟速率来实现，而且还依赖于并行处理结构的进一步采用。早期的DSP仅含有单个多路器和累加器，由哈佛结构以及一些控制寄存器环路组成。而目前的DSP处理器通常采用多个执行单元，每个执行单元都由算数逻辑运算单元（ALU），一个多路器和累加器组成，而且这些执行单元可以并行执行。

　　美国I.C.Com 公司在与西门子半导体公司的合作中，开发出了Carmel DSP，它通过一个非常类似C的汇编语言来解决DSP开发面临的上述瓶颈问题。

　　I.C.Com公司VLSI设计副总裁Amnon Rom说：“我们的目的是使我们的汇编语言Carmel尽可能地接近C语言。对DSP开发来说，减少开发过程中从浮点算法转换到固定点算法，然后再到汇编语言程序所需的时间非常重要。通过将汇编语言与之一一对应，从而减去了从C语言到汇编语言的开发步骤。”

　　友好易用的硬件系统

　　美国ZSP公司采用易于编译的硬件系统来解决DSP开发中面临的这一问题。其硬件系统包含一个正交指令集，一个透

明状态机和一个流水线控制单元。其中流水线控制单元是该结构的关键，它代替编程人员对DSP中的并行执行单元进行作业安排控制。通过分配指令到硬件、解决数据和资源间的依存问题，从而将指令分组分配到DSP的各个并行执行单元。这样减去了编程人员和编译器安排分配并行任务的负担。

　　ZSP公司提供一套完整的软件开发工具，让编程人员管理复杂的DSP编程任务。可以通过命令行直接调用这一工具，或者通过使用Premia的Codewright编辑器。Codewright是一个开发工作平台，通过它可启动其他应用程序。ZSP就是采用该平台来管理其Gnu编译器、汇编器、链接器、仿真器以及调试工具。

　　Codewright开发环境进一步扩展，包括了设计项目目录管理功能，对项目可执行程序的生成进行参数调整。针对基本的DSP软件开发，ZSP公司提供了一个完整的解决方案。

　　美国TI公司认为DSP未来的发展在于软件，并已经开始着手两项开发。首先，它将Code Composer IDE的功能与DSP/BIOS和RTDX驱动程序进行集成，组成综合开发环境Code Composer Studio。这是TI将其收购的GoDSP公司Code Composer DSP调试工具与Spectron的低档DSP操作系统进行统一集成的结果。其次，它建立了DSP软件模块的标准接口，以便更好地重新利用现有的实现了的DSP算法。

　　TI公司认为，通过将一个汇编语言优化器集成到其Code Composer开发环境，从而减少了对汇编语言的需要。据称该工具产生的编码的效率可达到手工调试的汇编语言的80。

　　对DSP开发，每个MIP和存储器字非常珍贵，对这一资源的任何浪费都会影响项目的进展，使之难以完成。但为了提高软件开发效率，也必须牺牲一些MIP和存储器为了更好地开发

　　对DSP开发，每个MIP和存储器字（Word）非常珍贵，对这一资源的任何浪费都会影响项目的进展，使之难以完成。但为了提高软件开发效率，也必须牺牲一些MIP和存储器。这些MIP和存储器资源是用在DSP内访问程序和数据转换方面，访问程序将DSP算法的内部表达方式转换成共用的方式，以便进行通信。

　　TI公司提出的软件标准包含两个方面，一是处理目标硬件与主机的接口，另一方面处理内部的API（应用程序接口）集，以提供DSP软件模块间的通信。在主机一侧，是Active X程序集，用来处理与目标硬件间的通信，并模拟目标器件的行为。这里主机接口包括以下四个主组：项目服务器，编辑服务器，图象服务器和调试服务器。其中调试服务器用来建立和维持与目标硬件间的通信。在目标硬件一侧，链接依赖于RTDX和DSP BIOS。

　　Blue Wave Systems的产品经理Nick Keeling对Code Composer Studio表示很大的兴趣，他说，通过这一产品，可以看到DSP软件开发步入成熟。这一进程是TI与其第三方DSP板级开发商共同合作的结果，从Code Composer Studio开发的初期，第三方板级开发商就积极地参与了进来。而这一参与使第三方厂商有能力对Code Composer Studio的功能开展进一步开发。

　　Blue Wave Systems公司正对Code Composer Studio进行改进，使它能自动识别与之相连的任何电路板，包括读取电路板上的配置信息，以及识别安装在电路板上的驱动程序类型。该公司可提供这种电路板和改进后的具备自动识别功能的Code Composer Studio开发环境。

　　Analog Devices公司的Visual DSP工具集与TI公司的Code Composer类似，但不包括主机与目标硬件的链接。该工具支持其全部SHARC DSP系列产品。

　　Visual DSP是集成了IDE和调试器的一个项目管理工具。原码调试工作可在一个C语言和汇编语言的混合环境中完成。同时调试工作可通过一个硬件仿真器在主机上进行，也可直接在目标硬件上实现。

　　目标器件接口数据流可通过中断的随机组合来仿真。并可在指定的地址范围内和地址范围外设置观测点进行检查。这种功能使开发人员能更好地处理堆栈资源的下溢和上溢。

　　DSP：数字化时代的骄子

　　在即将告别20世纪 、步入21世纪的世纪之交的时刻，让我们首先回顾一下国际上电子工业近30年来发展的历程：

70年代的电子工业以消费电子为主，代表性的产品是录像机、摄像机、彩电，主要的生产厂商是日本的Sony、JVC、荷兰的Philips等家电厂商，依靠的是大规模生产和的质量。80年代是计算机时代，代表性的产品是PC机、硬盘驱动器、打印机，主要生产厂商是美国的Intel、IBM、Microsoft、Compaq等公司。90年代起是信息时代，代表性的产品是个人通信网、网络接入设备、数字化消费类电子产品，主要生产厂商目前尚难确定，处于战国七雄争霸时代，主要获胜的战略之一是以DSP为的技术及其创新产品。

　　DSP可以代表数字信号处理技术，也可以代表数字信号处理器，其实两者是不可分割的，前者是理论上的技术，要通过后者变成实际产品。两者结合起来就成为解决某一实际问题和实现某一方案的手段——数字信号处理解决方案（DSPS）。

　　DSPS正在改变我们生活方式的各个方面，例如人们之间的联系方式正由电话转向个人通信方式。人类从电话发明到5千万电话用户数花了70年时间，模拟蜂窝电话达到5千万用户花了14年，而数字蜂窝电话（GSM是其中之一）只花了5年就达到相同的用户数。

　　再如我们的娱乐方式，VCD、DVD正替代VHS录像机，数字电视机开始替代模拟的NTSC或PAL制电视机。家庭影院主要由数字化A/V设备组成，DSP不仅给你环绕声，还为你虚拟各种现场效果。

　　DSP日益进入人们的生活，所以DSP芯片的年增长率超过50，在近几年整个半导体产量下降的情况下，唯有DSP芯片保持高速增长的势头。

　　DSP的发展面临的挑战是CPU速度的急速增快和价格的持续下降，使DSP制造商面临两种选择，一种是加快DSP的发展，另一种是退出竞争。看来主要的DSP制造商都选择了种路线，尤其是占DSP销售份额45的美国TI公司在对公司的产品进行结构性调整的基础上，以多元化投资转到单一化投资，确立以DSPS为主要发展的产品，即集所有技术、所有产品于DSP。

　　TI公司在原来已被人们熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基础上发展了三种新的DSP系列，它们是：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列，成为当前和未来相当长时期内TI DSP的主流产品，前面提到的那些老型号产品均将被这三种新系列产品替代。从今年开始，’C1X、’C25、C5X、C8X的价格每年都会上调，今年提升了10。而’C2000、’C5000和’C6000三种新系列芯片的价格会逐年作较大幅度的下调，因此无论从价格还是技术支持或是从产品开发的连续性出发，建议大家尽量采用新的DSP系列，在进行教学、培训时也应介绍这三种新的系列。

　　三种新型TMS320 DSP系列的特点

　　1.TMS320C2000——作控制用的DSP，可以替代老的’C1X和’C2X。现在有趋势集中在以下两个方向上：

　　（1）C20X 16位定点DSP，速度为20MIPS，主要用途是电话、数字相机、售货机等，其中：’F206带有闪速存储器，售价从5～17美元。

　　（2）C24X 16位定点DSP，速度为20MIPS，用作数字马达控制、工业自动化、电力转换系统、空调等，售价从4～18美元。

　　2.TMS320C5000——低功耗高性能DSP，16位定点，速度40～200MIPS。主要用途是有线和无线通信、IP、便携式信息系统、寻呼机、助听器等。价格5～75美元。

　　目前，C5000系列中又有三种新成员，一种是’C5402，这是廉价型的DSP，目标价格是每片5美元（50K批量），速度保持100MIPS，片内存储空间稍小一些，RAM为16K、ROM为4K。主要应用对象是无线Modem、新一代PDA、网络电话和其它电话系统以及消费类电子产品。

　　第二种是C5420，它拥有两个DSP核，速度达到200MIPS，200K片内RAM，功耗0.32mA/MIPS，200MIPS全速工作时不超过120mW，为业内功耗的DSP。’C5420是当今集成度的定点DSP，适合于做多通道基站、服务器、Modem和电话系统等要求高性能、低功耗、小尺寸的场合

。

　　第三种是C5416，它是TI公司0.15μm器件中的款，速度为160MIPS，有三个多通道缓冲串行口（McBSPs），能够直接与T1或E1线路联接，不需要外部逻辑电路，有128K片内RAM。应用对象是VoIP、通信服务器、PBX（专用小交换机）和计算机电话系统等。

　　3.TMS320C6000——这是TI公司1997年2月推向市场的高性能DSP，综合了目前DSP的所有优点，具有的性价比和低功耗。’C6000系列中又分成定点和浮点两类。

　　（1）’C62XX 16位定点DSP，速度为1200～2000MIPS，用于无线基站、ADSL Modem、网络系统、中心局交换机、数字音频广播设备等，价格为21～224美元。

　　（2）’C67XX 32位浮点DSP，速度为1Gflops，用于基站数字波束形成、医学图像处理、语音识别、3-D图形等，价格109～233美元。

　　C6000在向两个方向发展，一是追求更高的性能，二是在保持高性能的同时向廉价型发展。前者如定点’C6202可以达到2000MIPS的速度，后者如定点’C6211只有25美元、浮点的’C6711仅售20美元。

　　在老的TI DSP系列中，浮点’C30还是TI公司主推的产品，因此它的售价不像其它老系列每年都要提升。TI公司还在对这个型号作性能改进和制造廉价型，如新近推出的’C33采用0.18μm制造工艺，有1M RAM，速度为120Mflops，为老产品的两倍，而价格仅5美元。速度更高的150Mflops为8美元。’C33与其它’C3X器件代码兼容，所以用户可以保护其软件环境，在他们换用新器件时还可以减少开发时间。

　　DSP为电子业创造新的机遇

　　上面所介绍的TI公司的新一代DSP已经替代80年代和90年代初的老一代产品，在电子信息产业方面获得了广泛的应用。’C2000系列已用于数字马达控制、数字照相机、PC照相机；’C5000系列用于蜂窝网手机、程控交换；’C6000系列用于基站、ADSL、V.90 56K Modem。

　　有数百家直接依靠TI的DSP而成立的公司，称为TI的第三方（Their Party），它们有做DSP开发工具的，有从事DSP硬件平台开发的，有从事DSP应用软件开发的。这些公司基本上是80年代末，90年代初才创建的，开始时往往只有几个人，经过5年、10年现在均发展到具有相当规模。如D2 Technologies、DSP Research、DSP Tools、Dialogic、GD DSP、HotHaus、Micro LAB Systems、PenTek、Seed、Spectrum Digital、Spectrum Signal Processing、White Mountain DSP等公司，在DSP开发工具、应用软件、DSP平台方面都很有成就。

　　相对国外DSP的应用开发和第三方公司的情况，我国国内差距相当大，知道使用DSP的单位不多，这些单位中大多数还在使用’C25，’C5X。DSP工具开发已经起步，但也只有闻亭和合众达两家，而专门从事DSP硬件平台和应用软件开发的单位和公司还没有，“第三方”在中国基本上是空白。

　　上海交通大学在1997年初与TI公司联合成立了DSP技术中心，除在本科生和研究生中进行新一代DSP的教学外，还尽一切努力开展DSP的应用研究，研究的目标完全放在新产品的开发方面。我们（指上海交大，以下皆同）组成了一支包括教师、研究生在内的三十余人的DSP应用R&D队伍，配备有TI公司提供的DSP开发工具和齐全的资料，并获得上海市科委的支持，设立了上海数字技术中心。

　　目前我们已经和正在进行研究和开发的项目主要分成以下三类：

　　1. 语音编码及其相关产品 在所有的通信系统中，语音通信仍然是基本的通信方式，也是应用普遍的。ITU制订了许多语音压缩标准，我们已经做出来的有用’C542实现的G.728、G.723、GSM06.10，正在进行的有G.722、G.726、G.729、FS1016等。

　　在此基础上正在研制多通道电话记录仪。用自制的’C542电话压缩卡，将一张电话卡的数码率从64kbps降到13kbps，语音质量MOS（平均判分）为3.7，而国内使用普遍的语音卡采用ADPCM算法，32kbps时才有相同的音质，号称能用到16kbps，但音质仅为2分。我们每张卡可同时压缩8路电话，一台PC机可插4张卡，同时压缩32路电话。

　　另一个正在开发的是数字电话扩容系统（DCME），采用’C6201DSP和ITU-G.728语音压缩算法、将E1的每路64kbps电话压缩到16kbps，压缩4倍，这样可将30路的E1扩容至120路的

E2系统。

　　2. Hi-Fi音频压缩及相关产品 近几年VCD、DVD、MD、DAB、DVB等数字音视频产品万紫千红，在这些数字化新家电中，DSP起作用的地方是Hi-Fi的音频处理，我们已对MPEG音频Layer2、Layer3、MPEG-2 AAC、Dolby AC-3等用C语言仿真研究，在此基础上用’C549实现了MP3解码器的初样。正在用’C6201和’C6701分别实现MP3编码器和MPEG-2 AAC编解码器。MPEG-2 AAC重建的音质超过MP3和AC-3将成为21世纪直播卫星、地面DAB和SW、MW、AM广播数字化的标准。

　　3. 图象压缩及相关产品 完成用’C542实现的脱机的便携式彩色静止图像传输系统，分辨率有576×480、352×288（CIF）、176×144（QCIF）等可选择，发送端图像压缩终端如一般的Modem大小，可通过Modem在PSTN（公共交换电话网）上拨号传输图像，也可通过无线Modem在CDPD分组无线数据网中传输，适用于远程监控、彩色文件传送。在此基础上正在开发用’C6201 DSP的符合H.263标准的可视电话。

　　我们对DSP的应用前景充满希望和信心，也盼望有更多的高校、科研机构、公司开展DSP的应用研究，藉此开发的数字化电子产品，为振兴我国电子工业作出贡献。